Реферат: Цифровая фотография
Введение в цифровую фотографию
Теория и основные положения
В отличие от обычной фотографии, которая существует уже около 135 лет,
цифровая фотография только делает первые шаги в своем становлении. Как и в
любой другой новой, быстро развивающейся технологии, здесь имеет место
применение сомнительных терминов и акронимов, не используемых непосредственно
при ее разработке. Чтобы исключить возможность пользования неточной и
недостоверной информацией, потребуется затратить много времени и усилий на
поиск их истинного значения по материалам журнальных статей, независимых
отчетов и рыночного жаргона, просмотр различных других источников. Для
компаний, постоянно испытывающих острую нехватку времени в условиях жесткой
конкурентной борьбы, расходование времени на такую работу Ц непозволительная
роскошь. Освоение передовых приемов работы, а также потенциальных финансовых
преимуществ, которые они дают, зачастую происходит с задержкой.
Цель данного лВведения в цифровую фотографию состоит в том, чтобы собрать
весь фактический материал в точной, объективной и краткой форме, снабдив его
легко воспринимаемыми примерами и схемами. Человек, обладающий такой
информацией, может более точно оценить значение тех существенных затрат,
которые он вкладывает в цифровую информацию.
Цифровая фотография представляет особый интерес как для фотографов, так и для
пользователей ПК. Для того, чтобы добиться наилучшего результата при
фотографировании цифровым аппаратом, требуются базовые знания как в области
традиционной фотографии, так и компьютерной графики. С учетом этих двух
положений данная работа является введением и в ту, и в другую область.
Несмотря на то, что базовые принципы могут быть знакомы представителю одной
или другой профессии, мы приводим здесь объяснение того, как они связаны с
цифровой фотографией.
Являясь по своей сути отдельной работой, данное лВведение в цифровую
фотографию рассчитано на то, чтобы дополнить наши другие публикации,
перечисленные на последней странице. лВведение в цифровую фотографию
содержит ценную информацию по вопросам цифровой фотографии, связанную с
требованиями к получению изображений и последующей обработкой изображений для
специфических типов выходных устройств. Во лВведении в цифровую фотографию
приводится обзор цифровых устройств для ввода и вывода информации и
демонстрируется, как применение этих устройств изменяет традиционные рабочие
процессы.
Подготовка сцены съемки
В цифровой фотографии (ЦФ), как правило, используются оптика и механизмы
традиционных фотоаппаратов, однако черно-белая или цветная фотопленка
заменена электронным светочувствительным элементом. Эти чувствительные
элементы либо встроены в съемную заднюю крышку камеры для использования в
существующих среднеформатных камерах с наводкой по матовому стеклу (5), либо
установлены в специальные цифровые камеры (6), либо в 35-мм камеры с
модифицированным корпусом (7). Пригодность каждой цифровой камеры для съемки
статических или подвижных объектов, в условиях студии или в любой другой
обстановке определяется технологией изготовления чувствительных элементов,
режимом работы и способом хранения данных. Виды цифровых фотоаппаратов и
возможности их применения приведены в разделе под заголовком лВыбор вашей
камеры.
Несмотря на то, что цифровой способ получения изображений находится еще на
начальном этапе развития, он уже имеет целый ряд преимуществ перед обычной
фотографией, не последним из которых является возможность немедленного
получения фотографий. Рассмотрим различие между двумя приводимыми на рисунке
технологическими процессами, которые требуются для регистрации изображений и
превращения их в формат, пригодный для печати (12), публикации в Интернете
(13), мультимедийных представлений (14), получения вторых оригиналов
изображений и различных других вариантов использования (15).
Технологический процесс в обычный фотографии
Традиционный способ коммерческой фотографии в условиях студии или в любом другом
месте требует тщательно продуманной композиции и освещения предмета съемки.
Чтобы добиться оптимальных результатов в получении требуемого диапазона
контрастности и достижении нужного эффекта моделирования при применении
студийного освещения, зачастую делают одновременно ряд снимков с разными
экспозициями (1), пользуясь при этом экспонометром. Подготовив композицию и
установив освещение, удовлетворяющие фотографа, он делает ряд снимков на пленку
при значениях экспозиции как выше, так и ниже значения, определенного по
экспонометру. Такое экспонирование при разных значениях экспозиции
(bracketing) учитывает неточность в определении экспозиции и соблюдении режима
обработки пленки.
Через несколько часов или даже дней из проявленной фотопленки выбирают один
хороший кадр (2). Если при этом не будет получено одобрение заказчика или
художественного редактора, весь процесс, возможно, придется повторить. Слайды
или изображения на обратимой фотопленке используются обычно для просмотра,
причем их химическая обработка занимает сравнительно мало времени. При
выполнении печати с негативных фотопленок (3) с целью репродуцирования может
понадобиться дополнительное время на определение оптимального диапазона
тональности. Наконец, для создания цифрового файла в требуемом формате слайд,
негатив или отпечаток должен быть отсканирован. Это может быть формат КЗС
(красный-зеленый-синий) (RGB) для представления на экране или ГПЖЧ (голубой-
пурпурный-желтый-черный) (CMYK) для распечатки.
Фотограф имеет ограниченный контроль над качеством результатов, полученных в
фотолаборатории или в сервисном бюро по сканированию (4). Операторы по
сканированию не имеют отношения к точной передаче цветов оригинального
снимка, поэтому результаты будут разными в зависимости от интерпретации.
Следовательно, сканированные изображения, возможно, не получат немедленного
одобрения заказчика. Длительность всего процесса непредсказуема, поскольку в
нем задействованы несколько сторон, однако это составит, по крайней мере,
один день.
Технологический процесс в цифровой фотографии
Технологический процесс с использованием цифрового фотоаппарата также требует
времени на подготовку композиции и установку освещения объекта съемки. В
условиях студии стоимость получения мгновенных фотографий очень
незначительна, благодаря тому, что цветное изображение можно быстро вывести
для предварительного просмотра на подключенный монитор и произвести замер
экранным денситометром. Такая возможность предварительного просмотра с
помощью электронных средств способствует установлению мгновенной обратной
связи, обеспечивающей точность в создании композиции и установке освещения
объекта съемки. Необходимость в экспонировании при разных значениях
экспозиции обычно отпадает. Портативные камеры могут быть снабжены небольшим
экраном на светодиодах для предварительного просмотра. Также можно передать
изображения для контроля качества на настольный компьютер (11), подключаемый
прямым кабельным соединением или с помощью сменных карт флеш-памяти PCMCIA и
жестких дисков (8). Изображения, записанные на эти устройства, называемые
обычно картами ПК, передаются в компьютер с помощью подключенного к нему
устройства для считывания карт (9).
Системы управления цветом (Colour Management Systems = CMS) на базе
компьютера дают возможность убедиться в том, что выводимые на дисплей
изображения обеспечивают максимально возможную точность цветопередачи. С их
помощью можно также модифицировать выводимые на экран предварительные
изображения, моделируя окончательное, выводимое на печать изображение, что
дает возможность произвести установки, оптимизируемые для специфических
процессов распечатки. Расходы на пленку или обработку не нужны, а конечное
изображение будет представлено в формате КЗС (RGB) в течение нескольких
минут, полностью исключая при этом процесс сканирования. Навыки, которые
требуются от операторов сканера при разделении цветов ГПЖЧ (CMYK) для печати,
эмулируются некоторыми программами CMS. Если между фотографом и принтером
установлен хороший контакт, требования к специфическим процессам распечатки
могут быть учтены во время фиксации изображения и разделения цветов.
За и против цифровой фотографии
Преимущество цифровой фотографии заключается в том, что она дает широкие
возможности управления качеством изображений. Сокращаются затраты на расходные
материалы и нет необходимости производить большие расходы на сканирование.
Расходы на носители для хранения цифровой информации, такие, как
магнито-оптические диски (magneto-optical disks = MODТs) или на
записываемые СД (CD-ROM) сведены до таких размеров, что стоимость хранения
информации может быть сопоставима со стоимостью фотопленки.
Зафиксированный формат сразу же готов к использованию с применением
компьютера. Спутниковый или модемный (10) каналы связи дают еще большую
экономию времени и расширяют потенциальную базу заказчика. Точность
цветопередачи между оригинальной сценой и окончательным выходным изображением
будет оптимальной. Фотографы получат новые возможности производить различные
манипуляции с изображениями или при разделении цветов ГПЖЧ (CMYK) для
распечатки. Если они не захотят приобретать такие навыки, положительным будет
наличие тесной связи со специализированными предприятиями. Если посмотреть с
другой стороны, то конструкторские организации, имеющие собственное цифровое
фотооборудование и специалистов, значительно сократят расходы и общее время
выполнения работы.
Отрицательным является то, что стоимость хорошо оборудованной студии цифровой
фотографии может быть довольно высока. Кроме цифровой фотокамеры, новые
технические средства могут включать компьютер, соответствующее осветительное
оборудование, объективы с высоким разрешением и различное оборудование для
хранения информации. При использовании обычных способов работа фотографа
завершается, когда клиент дает лна месте одобрение немедленно оплачиваемым
слайдам. Регистрация, обработка и доставка цифровых изображений возлагает на
фотографа дополнительную ответственность. При отсутствии компьютера и хорошо
откалиброванного монитора для вывода изображений или высококачественного
оборудования для проверки цифровых изображений, одобрение клиента поступит с
задержкой.
Выбор вашего цифрового фотоаппарата
Для всех форматов традиционных фотоаппаратов выпускается огромное количество
фотопленок. Подобрать соответствующую пленку для определенных условий
освещения и типа объекта съемки несложно. Электронные чувствительные
элементы, применяемые в цифровых камерах, пригодны для использования только в
определенных целях, поэтому чтобы сделать выбор, придется выполнить
дополнительные действия. Подробное описание существующих способов замера
приводится в разделе лПринцип действия чувствительных элементов, однако
далее будет рассмотрен ряд критических факторов, которые следует учитывать.
Первый момент, который следует принять во внимание, Ц это максимальный размер
и разрешение, при которых будут воспроизводиться изображения. Будут ли
объекты съемки сведены к стационарным сценам или лживым предметам? Как
портретной, так и видовой фотографии присуще движение. Придется ли
использовать при фотографировании вспышку? Будет ли камера использоваться в
студии или вне помещения? Понадобится ли при съемке движущихся объектов
серийная съемка или большое количество экспозиций? Несомненно, решающим
фактором может оказаться размер вашего бюджета.
Разрешение
Чувствительные элементы цифровой камеры (ПЗС) регистрируют фиксированное
количество деталей изображений, выражаемое обычно в пикселях или элементах
картинки. Передача деталей изображений может быть искажена из-за программной
интерполяции (см. лПринцип действия чувствительных элементов и лИскажение
разрешения). Несмотря на то, что некоторые ПЗС могут регистрировать детали
аналогично фотопленке, стоимость производства в настоящее время и
технологические ограничения лимитируют их размер. Чрезмерное увеличение
цифровых изображений приводит к искажению видимых квадратных пикселей на
распечатанных изображениях. Поэтому важно установить ваш максимальный размер
изображений и требования к качеству изображений на выходе.
Битовая глубина
Ею определяется максимальное количество цветов, которое может воспринимать
цифровая камера. Тем не менее, следует иметь в виду, что большое число
битов не всегда даст больше цветов (см. лБит за битом).
Объективы
Передача деталей изображений зависит не только от разрешения ПЗС, но и от
качества объектива камеры. Недорогие компактные фотоаппараты имеют встроенный
объектив, поэтому целесообразно произвести сравнение результатов съемки еще
до покупки аппарата. Цифровые аппараты средней и высокой стоимости снабжаются
сменными объективами, которые дают возможность изменять масштаб изображения и
перспективу. Хотя обычные объективы, используемые в пленочной фотографии,
могут иметь соответствующие оправы, для того, чтобы полностью использовать
потенциал ПЗС, зачастую потребуются дорогие объективы с высоким разрешением
(см. лИскажение разрешения). Если в модифицированном корпусе камеры заменить
пленку на ПЗС с меньшей площадью кадра, может иметь место увеличение
фокусного расстояния (см. лУменьшение угла зрения объектива).
Чувствительные элементы ПЗС
Для регистрации разной световой интенсивности снимаемых сцен в цифровых камерах
в качестве чувствительных элементов применяются приборы с зарядовой связью
(ПЗС). В отличие от пленочных фотоаппаратов конфигурация ПЗС предназначена для
регистрации изображений в ИК, черно-белом или цветном формате. Изготовители
некоторых цифровых аппаратов предлагают все три формата. ПЗС включают тысячи
крошечных элементов, сгруппированных либо в ряд (линейный массив), либо
в прямоугольный блок (матричный или площадной массив). Линейные
массивы перемещаются ступенчато вдоль плоскости изображения камеры, регистрируя
или лсканируя последовательно строки информации, которые позднее собирают
снова. Матричные массивы захватывают всю сцену, однако для регистрации всех
цветов может потребоваться несколько снимков. Технологии ПЗС имеют сильные
различия. Для некоторых нужно непрерывное освещение, в то время, как другие
исключают перемещение объекта (см. лПринцип действия чувствительных
элементов).
Принцип действия
Портативность цифрового аппарата зависит не только от его размера и веса, но и
от его независимости от главного компьютера и источника питания. Большинство
портативных цифровых фотоаппаратов имеют традиционный видоискатель, но
некоторые из них, аналогично видеокамерам, в настоящее время снабжаются ЖК
экраном для просмотра зарегистрированных изображений. Некоторые цифровые
фотоаппараты видоискателя не имеют и для кадрирования и фокусировки снабжены
только монитором. Камеры, подключенные к главному компьютеру или к контроллеру
заказчика, не требуют объема памяти для хранения большого числа изображений, в
то время, как портативные камеры должны иметь устройство памяти. Это может быть
фиксированная встроенная память, периодически требующая кабельного подключения
к компьютеру для передачи изображений. Для увеличения автономности в некоторых
камерах используются компьютерные карты. Эти карты представляют собой
миниатюрные жесткие дискеты или блоки памяти, которыми так же удобно
пользоваться, как кассетами с пленкой. Зачастую данные хранятся в сжатом
формате.
Цифровые камеры
Самые дешевые компактные камеры специального назначения обеспечивают
получение снимков ограниченного качества для использования в мультимедийных
презентациях, предложениях вариантов компоновки, страховочных записях или
памятках в визуальном виде. Они портативны и просты в применении. Их
одноматричный ПЗС дает возможность съемки с использованием вспышки, которая
чаще всего встроена в камеру.
Модифицированные 35-мм фотоаппараты дают изображения более высокого качества
и снабжены достаточно сложными устройствами, например автоматической
фокусировкой и программой отработки экспозиции с учетом характера объекта
съемки. В них применяются ПЗС с одной или тремя матрицами; камеры портативны,
дают возможность съемки с помощью вспышки, что позволяет применять их в
журналистике. Для этих камер выпускается большое количество обычных
объективов и дополнительных принадлежностей.
Для получения снимков высокого качества нужна либо специальная студийная
цифровая камера, либо съемная задняя крышка для регистрации в цифровом виде,
устанавливаемая на профессиональную среднеформатную или форматную камеру.
Задняя крышка для регистрации в цифровом виде снабжается либо линейным, либо
матричным массивом и ею просто заменяют заднюю крышку традиционной пленочной
камеры. В то же время может понадобиться дополнительная модификация, например,
применение объектива с более высоким разрешением. Полная стоимость такой камеры
может быть больше, чем стоимость специальной студийной цифровой камеры, которая
может обеспечить более высокое качество изображений, благодаря менее жестким
требованиям к конструкции. Преимущества каждого типа камеры нужно хорошо
взвесить. Форматные камеры позволяют корректировать перспективу и качество
фокусировки путем перемещения или изменения угла наклона плоскости объектива
или пленки (см. лИзменение перспективы). Использование специальных
перемещаемых объективов в мало- и среднеформатных фотоаппаратах также
позволяет корректировать перспективу.
Некоторые цифровые видеокамеры, имеющие ПЗС с одной или тремя матрицами,
позволяют регистрировать отдельные кадры с более высоким качеством
изображения по сравнению с кадрами, полученными при съемке движущихся
объектов.
Основы конструкции фотоаппарата
Современные 35-мм пленочные фотоаппараты представляют собой очень сложные
устройства, практически не требующие знания основ фотографии и позволяющие
получать фотоснимки приемлемого качества. В них обеспечивается автоматическая
установка чувствительности фотопленки (по DX-коду), автоматическая
фокусировка, автоматическое управление экспозицией при фотографировании с
лампой-вспышкой в условиях слабой освещенности, автоматическая
транспортировка и обратная перемотка пленки. Студийные и среднеформатные
фотоаппараты часто не имеют таких сложных устройств. Поэтому для получения
хороших результатов при использовании этих камер важно иметь хорошее
представление об основах фотографии. Для большинства цифровых фотоаппаратов
используются оптика и механизмы, применяемые в пленочных камерах, поэтому для
них остаются в силе те же основы фотографии.
Основными узлами традиционного фотоаппарата являются объектив, снабженный
ирисовой или апертурной диафрагмой для регулирования интенсивности
светового потока, затвор, устанавливающий длительность экспонирования, и
фильмовой канал. При фотографировании 35-мм и среднеформатным однообъективным
зеркальным фотоаппаратом (SLR = single lens reflex) снимающий имеет возможность
видеть изображение через объектив (TTL = through the lens), которое будет точно
таким же, как и изображение, получаемое на снимке. Установленное за объективом
зеркало обеспечивает отражение снимаемого объекта через стеклянную призму
(пентапризму), давая в видоискателе обращенное и правильно ориентированное
изображение. При срабатывании затвора в большинстве SLR- фотоаппаратов зеркало
поворачивается вверх, обеспечивая пропускание света к пленке в течение времени,
когда затвор открыт. Вместо пентапризмы в среднеформатных фотоаппаратах может
использоваться матовое стекло, по которому производится наводка на резкость.
Светочувствительные элементы в SLR- фотоаппаратах находятся либо в линии
передачи светового потока к видоискателю, либо позади полупрозрачного зеркала.
За счет этого точное определение экспозиции будет производиться при установке
объектива с любым фокусным расстоянием. В крупноформатных фотоаппаратах зеркала
и пентапризмы не применяются, поэтому наводка на резкость в них производится по
матовому стеклу, устанавливаемому в плоскости пленки. После подготовки
композиции и наводки на резкость вместо матового стекла устанавливают крышку с
фотопленкой.
Принцип действия однообъективного зеркального фотоаппарата
| В однообъективном зеркальном фотоаппарате свет отражается установленным под углом зеркалом вверх и проходит через стеклянную пентапризму, оборачивающую изображение точно таким, каким оно будет сфотографировано после срабатывания затвора. |
Фокусное расстояние одинарной двояковыпуклой линзы Ц это расстояние между ее центром и точкой, в которой фокусируются параллельные пучки света, поступающего от объекта, находящегося в бесконечности (точка фокусировки). Точка фокусировки |
Ирисовая диафрагма, встроенная в объектив, имеет стандартный ряд значений (делений) диафрагмы, в соответствии с которым действующая площадь отверстия последовательно изменяется в два раза. Экспозиция, связанная с любым установленным значением диафрагмы, будет одинакова для любого объектива. |
| Увеличение диафрагмы на одно деление (меньшее числовое значение) увеличивает площадь сечения для прохождения света через нее. Уменьшив также в два раза время открытия затвора, получим общее количество света, поступающего в фотоаппарат, неизменным. |
Перспектива изображения
Объективы с разным фокусным расстоянием часто используются для того, чтобы изменить угол зрения и сфотографировать важные детали или приблизить удаленные объекты. При использовании сменной оптики будет изменяться глубина резко изображаемого пространства для выборочной наводки на резкость, а также перспектива или сравнительный размер объектов в кадре. Экспериментирование с ограниченной глубиной резко изображаемого пространства или необычной перспективой может придать снимкам выразительность. Объективы для 35-мм фотоаппаратовСтандартный объектив для любого аппарата конкретного формата выбран таким образом, чтобы его фокусное расстояние было примерно равно размеру диагонали его кадра. Фокусное расстояние объектива, имеющего несколько компонентов, измеряется от его задней фокальной плоскости. |
Уменьшение угла зрения объектива
Стоимость изготовления и действующие технические ограничения лимитируют размеры большинства матричных массивов до размеров, меньших, чем формат фотопленки 35-мм аппарата. Поэтому регистрируется только центральную часть проецируемого изображения. Если увеличить эту заснятую часть так, чтобы она заполняла обычный пленочный формат, окажется, что снимок сделан как бы объективом с большим фокусным расстоянием. Отсюда происходит обычно используемый термин л увеличение фокусного расстояния (focal length magnification). В действительности, изменяется угол зрения, а не фокусное расстояние. Кажущееся удвоение фокусного расстояния следует расценивать как коэффициент увеличения 2:1 или, еще проще, коэффициент 2. Иногда его называют коэффициентом сопряжения объектива (lens coupling factor). Большинство крупноформатных аппаратов, снабженных матричным массивом, имеют большое увеличение фокусного расстояния. Увеличение фокусного расстояния| Если модифицировать обычный фотоаппарат для фотографирования под цифровой носитель, массив ПЗС может оказаться меньше, чем формат пленки, которую он заменил. Это приведет к уменьшению угла восприятия, за счет чего достигается эффект, аналогичный использованию длиннофокусного объектива для исходного формата пленки. Таким образом, фокусное расстояние любых объективов, предназначенных для обычных пленочных аппаратов, окажется увеличенным. |
Изменение перспективы
Форматные аппараты
Профессиональные форматные аппараты включают переднюю панель с объективом и заднюю крышку с фотопленкой или с ПЗС, соединенные гибким мехом. Панели с объективом и с фотопленкой можно перемещать в горизонтальном (продольное перемещение) и вертикальном направлении (вверх и вниз). Их можно также поворачивать относительно горизонтальной (наклон) и вертикальной оси (колебания). С помощью таких перемещений можно исправить перспективу, композицию снимка и глубину резко изображаемого пространства, обеспечивая оптимальность результатов съемки при любом заданном положении аппарата. Аналогичные перемещения для 35-мм и среднеформатных аппаратов облегчаются использованием специальных лперемещаемых объективов: весь корпус аппарата функционирует как перемещаемая плоскость пленки. Такие объективы рисуют в плоскости пленки изображение, большее по площади по сравнению с нормальным изображением, с тем, чтобы при перемещении изображения углы кадра на пленке были экспонированы нормально. Павильонные камеры и перемещаемые объективы| Плоскость фотопленки/ПЗС и панель с объективом в павильонной камере могут быть перемещены в поперечной плоскости А, могут быть передвинуты вверх или вниз (В), наклонены вверх-вниз (С) или повернуты вправо-влево (D). Перемещаемые объективы в мало- и среднеформатных фотоаппаратах позволяют производить аналогичные перемещения. |
Исправление перспективы
При фотографировании высокого здания с уровня земли, когда аппарат направляют под углом вверх, изображение на снимке получится в виде сходящихся вертикальных линий. В результате перспектива двухмерного снимка может оказаться искаженной. Кроме того, чтобы при наклоне фотоаппарата все здание получилось на снимке резко, потребуется дополнительное увеличение глубины резко изображаемого пространства. При использовании форматного аппарата или лперемещаемого объектива можно поднять плоскость объектива (и/или опустить плоскость пленки), обеспечивая параллельность плоскостей объектива и пленки относительно объекта съемки. За счет этого перевернутое проецируемое изображение переместится на плоскости пленки вверх, и при этом все здание будет занимать на пленке центральную часть снимка, причем вертикальные линии не будут казаться сходящимися и увеличение глубины резко изображаемого пространства не потребуется. То же происходит и при фотографировании натюрморта с верхней точки: сохраняется вертикальное положение плоскостей пленки и объектива, но плоскость объектива теперь не поднимают, а опускают.Другие соображения
При поперечном перемещении плоскости объектива удается избежать схождения горизонтальных линий в том случае, когда аппарат расположен не непосредственно перед снимаемым объектом. Причиной такого смещенного от центра фотографируемой сцены положения аппарата может быть наличие какого- либо препятствия, например, осветителя, или намерение снять панораму композиции, на которой были бы резкими как центральная часть, так и все остальное. Это в равной степени справедливо и для вертикальных композиций высоких объектов съемки, когда для исправления перспективы используют подъем вверх плоскости объектива и опускание вниз плоскости пленки/ПЗС. Изменение перспективыЕсли при съемке высокого здания обычным фотоаппаратом его поднимают вверх, то вертикальные линии здания получатся сходящимися. Подъем плоскости объектива или опускание плоскости пленки/ПЗС при сохранении их параллельности передней стене здания, не приведут к искажению перспективы. |
Правило Шаймпфлюга
Когда плоскости объектива и пленки параллельны друг другу (обычная ситуация для мало- и среднеформатных фотоаппаратов), плоскость резко изображаемого пространства в снимаемой сцене также параллельна им. Согласно открытию, сделанному австрийским ученым Шаймпфлюгом, эти три плоскости, если их продолжить (до бесконечности), пересекутся друг с другом. Аналогичным образом, любые плоскости двухмерного пространства снимаемой сцены, которая находится под углом к аппарату, например, сторона здания или упаковочной коробки, могут быть в полном фокусе по всей поверхности. Чтобы добиться этого, плоскости объектива и пленки поворачивают так, чтобы при продлении всех трех плоскостей они пересеклись друг с другом в одной точке. Диафрагмирование объектива увеличивает глубину резко изображаемого пространства перед плоскостью, на которую наведена резкость, и за этой плоскостью. Обе плоскости, представляющие собой переднюю и заднюю границы этой дополнительной глубины резко изображаемого пространства, также пройдут через эту же точку пересечения. Это правило особенно важно для макрофотографии, где глубина резко изображаемого пространства может составлять всего лишь несколько миллиметров. Наклонные поверхности крошечного объекта могут быть полностью резкими за счет наклона (относительно вертикально наклоненной поверхности) или перемещения объектива вправо или влево (относительно горизонтальной наклоненной поверхности). Часто намеренно стремятся ограничить глубину резко изображаемого пространства для того, чтобы выделить из окружающих деталей какой-то определенный предмет композиции. По правилу Шаймпфлюга, плоскость резкой фокусировки может быть наклонена так, чтобы она проходила только через предмет, представляющий интерес. Если для 35-мм и среднеформатного фотоаппарата с лперемещаемым объективом будет производиться наклон или перемещение объектива вправо или влево, может понадобиться также перемещение объектива таким образом, чтобы изображение попало в центр плоскости пленки. Правило Шаймпфлюга и изменение глубины резко изображаемого пространства| В обычном фотоаппарате плоскости фотопленки, объектива и резко изображаемого пространства параллельны друг другу. По правилу Шаймпфлюга, если наклонить плоскость объектива так, чтобы все три плоскости пересеклись друг с другом, то любая поверхность, расположенная под углом по отношению к фотоаппарату, получится на снимке резко. |
Глубина резко изображаемого пространства
Когда свет, отраженный от объекта съемки, фокусируется объективом на плоскость пленки или ПЗС, получается перевернутое изображение. Если сокращать расстояние от аппарата до объекта съемки, то, чтобы обеспечить резкость изображения, нужно отодвигать объектив от плоскости пленки. Если свет будет фокусироваться в точке, находящейся перед плоскостью пленки или за ней, то полученное изображение будет размытым. Такая размытость едва заметна, если точка фокусировки лежит в пределах расстояния, известного как глубина резкости (depth of focus) (см. рисунок). Глубина резкостиЕсли свет, отраженный от некоторых точек объекта съемки, будет фокусироваться неточно, это будет приводить к образованию на плоскости изображения кружков. Если плоскость фокусировки будет расположена близко к плоскости изображения в переднюю или заднюю сторону, эти кружки рассеяния будут небольшими и не приведут к заметному искажению изображения. Расстояние, в пределах которого размытость изображения остается допустимой, называется глубиной резкости. При диафрагмировании объектива глубина резкости увеличивается, поскольку лучи света будут проходить более узким пучком. |
Диафрагма | Расстояние от аппарата до объекта съемки | Фокусное расстояние объектива |
Чем больше значение диафрагмы (меньше диаметр отверстия), тем больше глубина резко изображаемого пространства. Использование при съемке центральной части объектива увеличивает глубину резко изображаемого пространства и сводит к минимуму хроматическую и сферическую аберрации. К сожалению, при сильном диафрагмировании объектива происходит рассеивание света кромками самой диафрагмы, что уменьшает резкость и контраст изображения. Чтобы выйти из этого положения, нужно установить значение диафрагмы, на 2-3 деления большее минимального значения, например, перейти с f/22 на f/11. | Чем дальше от аппарата находится объект съемки, тем больше глубина резко изображаемого пространства. Если предмет, на который наведена резкость, находящийся на расстоянии 30 м от аппарата, переместить на 1 м ближе к аппарату, увеличение угла, под которым поступает свет, отраженный от этого предмета, будет небольшим. Новая точка фокусировки будет находиться в пределах глубины резкости. Если точка фокусировки на предмет будет находиться в 2 м за ним, а сам предмет переместить на 1 м ближе к аппарату, это приведет к резкому увеличение угла, под которым поступает свет. Новая точка фокусировки выйдет за пределы глубины резкости. | Чем короче фокусное расстояние объектива (шире угол зрения), тем больше глубина резко изображаемого пространства. Это положение применимо только в том случае, если расстояние между объективом и объектом съемки остается неизменным, то есть в кадр попадет сцена большей протяженности. Если установить на аппарат широкоугольный объектив, но сам аппарат установить ближе к объекту съемку, чтобы границы съемки в видоискателе остались прежними, глубина резко изображаемого пространства останется прежней. Это положение тесно увязано с соотношением "расстояние от аппарата до объекта съемки". |
Свойства света
В отличие от восприятия человеческим глазом цветная пленка и ПЗС имеют ограниченную способность к восприятию света различных цветовых источников. Если фотографирование производится на пленку при использовании светового источника, к которому она не сбалансирована, может понадобиться применение цветного компенсационного фильтра. ПЗС обладают большей гибкостью, поскольку отдельные значения КЗС, которые они воспринимают, могут быть отрегулированы, обеспечивая изменение общего цветового баланса. Настольные сканеры с ПЗС калибруются с помощью встроенного светового источника. Они предназначены для работы с фотобумагами и пленками, использование которых нетрудно прогнозировать, поэтому выполнить соответствующие установки несложно. А вот цифровые фотоаппараты будут использоваться для съемки самых разных предметов, освещаемых самыми разными источниками. Поэтому для получения предсказуемых результатов важно выполнить точную регулировку цветового спектра. Обычно используемые искусственные источники освещения Ц это стробоскопы или импульсные вспышки, лампы, заполненные парами металлов (паросветные лампы), флуоресцентные лампы, лампы накаливания и галогенные лампы. Цветовой спектр этих источников очень разный. По сравнению со спектром ламп-вспышек, который приближается к спектру дневного света, свет ламп накаливания лежит в желто-красной части спектра.Цветовая температура
Цветовой спектр источников света измеряют либо в единицах лмайред (Mireds), либо в градусах Кельвина (оК). Температурная шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля или Ц273оС, что теоретически считается самой холодной возможной температурой. Когда объект, например, кусок металла, нагревают до более высоких значений температуры, он будет излучать свет разных цветов, начиная от темно-красного, затем оранжевого, желтого и белого, и, в конечном счете, Ц голубого, если не произойдут никакие химические или физические изменения. Поэтому цвет света, излучаемого этим раскаленным объектом, может быть использован для характеристики его температуры. Искусственный свет имеет цветовую температуру около 2000оК, и на другом конце шкалы цветовая температура голубого неба составляет значения от 12000 до 18000оК. Температура дневного света утром и вечером Ц около 5000оК, средняя температура солнечного света в полдень Ц 5400о К, а неба, затянутого облаками Ц 6250оК. Небольшие диаграммы в виде столбцов, приводимые на рисунке со шкалой цветовых температур, показывают соотношение компонентов КЗС источников искусственного света. Обычно преобладает красный свет. Характеристики источников освещенияНепрерывный свет?
Термин лНепрерывный свет используется, к сожалению, в двух различных контекстах. Обычно его применяют для обозначения света какой-то протяженной длительности действия, то есть не вспышек. Он может также показывать то, что источник света излучает колебания непрерывного диапазона. Такой широкий спектр колебаний излучают горячие световые источники, например, свечи, лампы накаливания, солнце. Дискретные источники света, например, натриевые и ртутные лампы, излучают пиковые значения световых колебаний определенной длины волны. Источники флуоресцентного освещения излучают дискретные колебания наряду с непрерывными колебаниями, создаваемыми флуоресцентным излучением их фосфорного покрытия. При регистрации изображений на пленку трудно отфильтровать дискретные пиковые световые колебания. Система управления цветом, используемая в цифровых фотоаппаратах, способна вносить очень специфическую коррекцию в зарегистрированную информацию, значительно улучшающую результаты съемки в спектре дискретных источников света.Лампы-вспышки или стробоскопические источники света | Паросветные лампы |
Пропускание электрического разряда высокого напряжения через газ ксенон приводит к образованию интенсивной световой вспышки длительностью от 1/100000 до 1/250 сек. ü Близкое сходство с дневным светом (5500-6000 оК). ü Источник мощного светового излучения при малом выделении тепла. ü Непрерывный диапазон длин волн. ü Небольшая стоимость выпускаемых переносных источников. û Непригодны для подвижных датчиков с ПЗС. û Для наводки на резкость и установки света в условиях студии потребуется источник освещения комбинированного типа с лампами накаливания. û Высокая стоимость различного студийного оборудования. | Пары металлов, которыми наполняют колбу из кварцевого стекла, являются проводником электрического заряда. Выбор металла определяется длиной волны излучаемого света. Уличные фонари с ртутными лампами дают свет в дискретном зелено-синем и УФ диапазоне. Йодно-ртутные дуговые лампы имеют более сбалансированный спектр, пригодный для фотографирования. ü Близкое сходство с дневным светом (5200 оК). ü Источник непрерывного света для подвижных датчиков с ПЗС. ü Более высокий кпд, чем для ламп накаливания и галогенных ламп. û Требуется время для разогрева. û Большое тепловыделение. û Дискретный диапазон излучения [может быть скомпенсирован системой управления цветами (CMS)]. û Сравнительно высокая стоимость. û Ограниченные возможности для переноски. û Использование ламп, выходивших установленный ресурс, может привести к взрыву. |
Флуоресцентное освещение | Лампы накаливания |
Частота мигания бытовых флуоресцентных осветителей в два раза больше частоты тока силовой сети, что будет заметно на изображениях, полученных с помощью подвижных датчиков с ПЗС. Для использования с цифровыми фотоаппаратами нужны специальные высокочастотные источники флуоресцентного освещения (30-50 кГц). Прерывистое излучение, создаваемое основными электрическими разрядами, лежит в основном в зеленой зоне спектра. В то же время дополнительное флуоресцентное излучение, производимое стеклянной трубкой с фосфорным покрытием, дает сбалансированный свет непрерывного диапазона волн, имеющий сходство с дневным светом.. ü Широкий диапазон цветовых температур (до-6000 оК). ü Высокочастотные осветители пригодны для использования с подвижными датчиками с ПЗС. ü Высокий кпд при малом тепловыделении. ü Большой срок службы. ü Дают рассеянный свет (что целесообразно в большинстве случаев). û Требуется время для разогрева. û Дискретный диапазон излучения [может быть скомпенсирован системой управления цветами (CMS)]. û Сравнительно высокая стоимость. û Ограниченные возможности для переноски. û Освещение может быть неустойчивым (чтобы исключить появление провалов в низкочастотном диапазоне может понадобиться специальный выпрямитель). | Стандартные перекальные фотолампы с нитью накаливания (3400 оК) горят с перекалом для того, чтобы повысить интенсивность освещения за счет сокращения их срока службы, который может составлять всего 3 часа. Срок службы ламп накаливания может быть значительно увеличен, если поместить вольфрамовую нить в колбу из кварцевого стекла, заполненную галогенным газом (чаще всего йодом). Использование ламп такой конструкции привело к появлению различных названий: кварцевые йодные, кварцевые галогенные, галогенные с нитью накаливания. Цветовая температура для галогенных ламп (3200 оК) несколько ниже, чем у ламп накаливания. ü Невысокая стоимость. ü Источник непрерывного света для подвижных датчиков с ПЗС. ü Дают свет в красно-желтой части спектра (3200-3400 оК). ü Высокий кпд при малом тепловыделении. û Ограниченные возможности для переноски. û Сравнительно непродолжительный срок службы. |
Фотоаппараты с ПЗС
В общем случае цифровые фотоаппараты, компьютеры и электронное оборудование подвержены воздействию температуры. Если осветительное оборудование в студии выделяет избыточное количество тепла, помещение должно иметь хорошую вентиляцию или снабжено кондиционером. Фотоаппараты с ПЗС нужно размещать в стороне от прямого действия источников непрерывного света или других источников тепла. В этом плане идеальными являются электронные вспышки, но они пригодны только для некоторых типов аппаратов с ПЗС (см. лВыбор вашего фотоаппарата и лПринцип действия чувствительных элементов).Баланс белого
Общий разбаланс составляющих КЗС, даваемых источником света, может быть скомпенсирован регулировкой баланса белого, предусмотренного интерфейсом многих цифровых аппаратов. Может быть предусмотрена вводимая в программу коррекция цветов для специфических источников света. При выборе установки для ламп накаливания будет либо увеличено время, допустимое для формирования зарядов синего и зеленого элементов ПЗС, либо ПЗС усилит их после восприятия. Более эффективным решением является автоматическое управление балансом белого, при котором усредненные показания о воспринимаемом свете считываются на реальном объекте съемки. После этого производится автоматическая компенсация любого разбаланса цветов. Свет, отраженный от объектов с большой гаммой цветов, может повлиять на усредненные показания и привести к неправильной компенсации разбаланса цветов. Интерфейс студийных фотоаппаратов зачастую обеспечивает возможность баланса белого. За счет этого можно получить нейтральную серую поверхность в любой точке снимаемой сцены, которую можно считать эталоном для измерения цветовой температуры. По этой методике можно добиться точного баланса белого для любого объекта съемки. Нельзя добиться компенсации баланса белого при пиковых значениях в спектре непрерывных источников света; для их компенсации потребуется наличие систем управления цветом.Искусственные глаза
Реальное восприятие
Для получения достоверных изображений нужно, чтобы устройства для восприятия фотографических изображений и их регистрации обеспечивали их передачу как можно более близко к человеческому восприятию. В наших глазах хрусталик переворачивает и фокусирует изображения на сетчатку. На сетчатке есть два типа световых рецепторов: около 120 миллионов лпалочек воспринимают тональные изменения и 6 миллионов лколбочек дают каждому глазу информацию о цветах. Мозг интерпретирует, переориентирует и воспроизводит эту поступающую в оба глаза сложную информацию в виде трехмерных изображений. Небольшой участок в центре сетчатки, известный как ямка сетчатки, воспроизводит человеку резко цветные детали. В ямке имеются только колбочки, каждая из которых соединена с мозгом уникальным нервным волокном. Три различных типа колбочек восприимчивы, главным образом, либо к красному, либо к зеленому, либо к синему цвету. В усредненном виде ямка имеет наибольшую чувствительность к желто-зеленой части спектра. Далее от центра ямки колбочки постепенно сменяются палочками. Палочки объединены в группы, они снижают резкость восприятия, но повышают чувствительность. Палочки обеспечивают монохроматическое периферическое зрение в условиях низкой освещенности. Наши глаза имеют очень широкий диапазон чувствительности, адаптируясь к различным условиям освещенности двумя способами. Радужная оболочка в передней части глаза регулирует величину отверстия зрачка, изменяя интенсивность действия света на сетчатку. Чувствительность палочек и колбочек также меняется в течение нескольких минут, адаптируясь к изменяющимся уровням освещенности за счет внутренних химических изменений. Когда мы наблюдаем два очень схожих цвета, расположенных рядом друг с другом, мы различаем довольно легко самые небольшие вариации цветов. Тем не менее, точное восприятие одного изолированного цвета очень сложно, поскольку наш мозг учитывает окружающее освещение, постоянно адаптируя наше восприятие. Мы воспринимаем лист бумаги, рассматриваемый при свете лампы накаливания, в котором преобладает желтая часть спектра, скорее белым, чем желтым.Серебряные глаза
Элементы традиционного фотоаппарата в механическом плане работают аналогично глазу. Свет проходит через объектив, который дает на плоскости пленки обращенное и сфокусированное изображение. Интенсивность света, действующего на пленку, изменяется с помощью регулируемой ирисовой диафрагмы или апертуры. Несмотря на то, что диафрагма обеспечивает частичное управление экспозицией, эмульсия фотопленок имеет гораздо меньший диапазон чувствительности по сравнению с нашими глазами и не адаптируется к источникам света с различным цветовым спектром. Поэтому для регистрации объектов съемки, освещаемых дневным или искусственным светом различной интенсивности, выпускается целый ряд эмульсий различных типов. Цветные фотопленки имеют несколько светочувствительных слоев, содержащих обычно кристаллы галоидного серебра. Под действием света из ионов галоидного серебра выбиваются отрицательно заряженные электроны, которые захватываются примесями кристаллов. В свою очередь, они притягивают свободные, положительно заряженные ионы серебра, образуя скопления металлического серебра. Такие изменения на молекулярном уровне приводят к образованию скрытого негативного изображения, которое становится видимым во время проявления, когда скрытое изображение усиливается примерно в миллион раз. В обычной пленке слой галоидного серебра, ближайший к объективу, чувствителен только к синему свету. Расположенный за этим слоем желтый фильтр не пропускает синий свет к следующему слою, который воспринимает зеленый свет. Последний слой реагирует с красным светом. И зеленый, и красный слои чувствительны также к синему свету, но желтый фильтр не пропускает его. Во время обработки скрытые серебряные изображения заменяются красителями дополнительного цвета. Красное скрытое изображения окрасится в голубой цвет, зеленое станет пурпурным, а синее Ц желтым. В результате получится негативное изображение голубого- пурпурного-желтого (ГПЖ) цвета, которое экспонируется на цветную фотобумагу. Дополнительная чрезмерная экспозиция и проявление обращаемой фотопленки приводят к тому, что участки, на которых нет изображения, соединятся с голубым-пурпурным-желтым (ГПЖ) красителями, создавая вместо этого позитивное изображение.Кремниевые глаза
Из-за сложности изготовления матричные чувствительные элементы ПЗС зачастую меньше формата 35-мм фотопленки. Их конструкция имеет большее сходство с глазом, чем фотопленка. Миллионы элементов для восприятия фильтрованных красного, зеленого и синего цветов или фотоэлементов (photosites) в большой матрице можно сравнить с колбочками в центре сетчатки. Интенсивность освещения преобразуется в электрические сигналы как в глазе, так и в ПЗС. В ПЗС частицы света, называемые фотонами (photons), попадают на кремниевый элемент или на подложку элемента, давая дополнительную энергию, нужную для высвобождения атомами кремния отрицательно заряженных электронов. Каждый элемент имеет присоединенный к нему электрический контакт или элемент. При подводе к этому контакту определенного напряжения участок кремния под ним начнет захватывать свободные электроны, то есть он будет функционировать как емкость или приемник электронов. Общий отрицательный заряд свободных электронов, скопившихся в приемнике, пропорционален интенсивности света, поступающего к элементу. О том, как отдельные заряды, накопленные в тысячах рядов элементов ПЗС, преобразуются в изображение, рассказывается в разделах лБит за битом и лВопросы светочувствительности). Реальное восприятиеÏðèâîäèìûå на рисунке цвета иллюстрируют не физическую окраску, а чувствительность к цветам. |
Ïðèâîäèìûå на рисунке цвета иллюстрируют не физическую окраску, а чувствительность к цветам. |
Динамический диапазон
Обычно фотографы определяют тональный диапазон объекта съемки либо числами диафрагмы (f-stops), либо диапазоном контрастности. Равномерно освещенные белые и черные объекты могут отражать примерно 85% и 2% падающего света соответственно. Диапазон контрастности 85 к 2 или, проще говоря 40:1, лежит поэтому на уровне максимального в условиях равномерного освещения. Это соответствует примерно 51/3 численных значений диафрагмы (каждое дополнительное числовое значение диафрагмы удваивает диапазон контрастности). Как только изменятся условия освещенности, диапазон контрастности резко изменится. Сильный солнечный свет с одной стороны объекта и только рассеянный свет от неба, падающий на другую сторону увеличат диапазон контрастности до 200:1. В исключительных случаях, когда темный объект находится в тени, а белый объект освещается прямым солнечным светом, диапазон контрастности может запросто превысить 1000:1 или 10 численных значений диафргамы.Сравнение качества воспроизведения тональности |
На этом рисунке сравниваются диапазоны тональности, воспринимаемые и воспроизводимые печатной продукцией, фотобумагой, фотопленкой , ПЗС и человеческим глазом. Их границы не являются жестко фиксированными: с помощью фотографических средств их можно расширить или сузить, используя для этого различные значения экспозиции. Сравнение здесь провести не просто. Печатная продукция является конечным результатом многочисленных взаимосвязанных процессов. На фотобумаге воспроизводится только выбранный участок динамического диапазона, который был запечатлен на негативную пленку. Назначение данного рисунка состоит в том, чтобы показать, насколько точно исходный материал, тональность которого разбита на участки, соответствующие10 численным значениям диафрагмы, воспроизводится различными источниками. |
Фотографическая широта ПЗС |
Недоэкспонирование или переэкспонирование объекта съемки при фотографировании с использованием массива ПЗС, приводят к потере темных затененных или ярко освещенных деталей. В то же время, тональность на печатной продукции воспроизводится только в пределах 5-6 численных значений диафрагмы, а это значит, что при ошибке в выборе экспозиции даже в таких пределах качество передачи информации будет удовлетворительным. Фотографическая широта трехлинейного массива с ПЗС может составлять по отношению к разрешению печатной продукции (на рисунке Ц 21/2 численных значений диафрагмы в сторону недодержек и передержек) 5 численных значений диафрагмы. |
Распечатка изображений, полученных с помощью ПЗС |
Диапазон тональности, составляющий 10 численных значений диафрагмы, воспринятый трехлинейным массивом с ПЗС, при обработке в компьютере и выводе на печать сокращается до 8 численных значений диафрагмы. При обработке с помощью компьютерной программы кривая тональности на выходе будет иметь другой вид по сравнению с тональностью на входе. Два оставшихся численных значения диафрагмы не будут при этом утрачены: за счет их обеспечивается гибкость при регулировании кривой тональности для обеспечения наилучшей передачи диапазона тональности для каждого конкретного объекта. Тональность деталей в тенях зачастую может передаваться в более широком диапазоне по сравнению с тональностью средне и ярко освещенных деталей. Но даже в этом случае диапазон тональности, составляющий 8 численных значений диафрагмы, может использоваться в цифровых выходных данных для ограничения конечной плотности печатной продукции с пленок или пластин для печати, бумаги и красок до примерно 5 численных значений диафрагмы. |
Контрастность диапозитивных фотопленок |
Изначально диапозитивные фотопленки были предназначены только для проецирования изображений на экран. И рассеянное световое излучение в самом диапроекторе, и свет в помещении, падающий на экран, снижают контрастность проецируемого изображения. Человеческое восприятие устроено так, что яркие участки изображения на экране по отношению к темному фону создадут обманчивое впечатление, что контрастность изображения еще ниже. Чтобы как-то скомпенсировать эти недостатки, контрастность диапозитивных фотопленках специально повышают. Диапазон тональности исходного объекта съемки, составляющий 5-6 численных значений диафрагмы, расширяют примерно до 10 численных значений диафрагмы за счет широкой гаммы пленки порядка 1,8 (показана на кривой тональности). При проецировании диапозитива на экран контрастность будет снижаться в обратной зависимости по отношению к близкой аппроксимации ограниченного динамического диапазона, полученного при съемке исходной сцены. |
Бит за битом
Цифровое изображение состоит из матрицы или растрового массива (bitmap) соприкасающихся пикселей (pixels) (элементов изображения), которые обычно представляют собой квадраты. В результате цифровые изображения всегда имеют вид квадратов или треугольников. Они имеют четыре основных характеристики: разрешение, размеры, битовую глубину и цветовую модель.Разрешение
В данном случае разрешение характеризуется только количеством пикселей на дюйм (п/дюйм) или на сантиметр (п/см). Общее количество пикселей, регистрируемых цифровым фотоаппаратом или цифровым устройством записи на фотопленку, обычно называют их лразрешением, даже в том случае, если пространственный эталон не приводится. Высокое разрешение битовой матрицы не гарантирует резкости изображения: детали изображения могут быть все же размытыми. Тем не менее гарантируется то, что отдельные пиксели имеют настолько малые размеры, что увидеть их невооруженным глазом при кратности зумирования 1:1 невозможно. При слишком малом разрешении диагональные линии и кромки объекта будут казаться рваными или ступенчатыми. Чтобы исключить избыточную информацию, разрешение нужно соотнести с устройством, которое дает на выходе изображение (см. лИскажение разрешения). "Раскрашивание" с помощью цифрРазмеры
Растровые массивы могут включать только целые пиксели, поэтому говорить о размерах какого-либо изображения в пикселях гораздо точнее, чем о размерах в дюймах или сантиметрах. При делении количества пикселей в изображении на его разрешение получим физический размер. Изображение размером 2400х1200 пикселей с разрешением 300 п/дюйм имеет печатный размер 8x4 дюйма.Преобразователи аналоговых/цифровых сигналов | Битовая глубина и уровни серого |
| Увеличение силы света, воспринимаемого элементом ПЗС, вызовет линейный рост числа электрических зарядов в пределах данного элемента. Преобразователь аналоговых/цифровых сигналов производит выборку или разбиение бесконечного потока информации об освещенности в виде аналоговых зарядов на целый ряд ступеней или уровней серого. Число уровней зависит от конструкции преобразователя. Производя считывание двоичного кода в виде нулей и единиц, трехбитовый преобразователь ограничит весь диапазон тональности, как видно из рисунка, восьмью уровнями серого. | 8-битовый преобразователь может произвести деление на 256 уровней серого, 10-битовый Ц на 1024, 12-битовый Ц 4096 и 14-битовый Ц 16384 уникальных уровней, которые могут быть считаны. Обработка информации в компьютерах производится группами, кратными 8 битам, называемыми байтами. Большинство компьютерных программ только поддерживают изображения, в которых на цветовой канал используется один байт (серая шкала = 8 битам; КЗС = 24 битам). До того, как дойти до конечного сокращения до 8 битов для хранения сверхдискретных данных из 10, 12 или 14 битов нужно обеспечить использование одного байта на цвет (серая шкала = 16 битам; КЗС = 48 битам). Поэтому некоторые из этих 16 битов (65536 уровней) будут резервными, не содержащими никакой информации об уровнях серого. |
Битовая глубина
Чтобы создать цифровое изображение для использования в компьютерных системах, самые разнообразные аналоговые заряды, генерируемые ПЗС, должны быть преобразованы в конечную серию ступеней. Этот процесс, выполняемый аналого-цифровым (А/Ц) преобразователем, называется квантованием (quantization). Каждой ступени присваивается уникальный двоичный номер, которым характеризуется определенный тон или уровень серого. Если черно-белый клин тональности разбить на очень большое количество ступеней, переходы между тонами могут быть различимы. При этом происходит слишком большая потеря информации о тональности, приводящая к делению на полосы или градационные ступени (posterization). Максимальное число уровней серого, поддерживаемых большинством программ для обработки изображений на компьютере, составляет 256. Обычно этого достаточно для того, чтобы напечатанный черно-белый клин тональности воспринимался равномерно, несмотря на то, что некоторые устройства для вывода изображений не в состоянии полностью использовать или воспроизводить этот диапазон. Для нумерации 256 уровней серого потребуются восемь двоичных цифр (битов). Большинство А/Ц преобразователей, встроенных в цифровые аппараты, имеют большую по сравнению с этой битовую глубину (bit depth). Они делят аналоговую информацию на 1024 (10 битов), 4096 (12 битов) или ровно 16384 (14 битов) уровней серого. Этот начальный процесс представления дискретных данных (superimposing) может улучшить качество изображения даже в том случае, если количество уровней серого придется уменьшить до 256. Восприятие глазом разной интенсивности освещения не соответствует линейной характеристике ПЗС; он более чувствителен к тональным изменениям при более низких, чем при высоких уровнях освещенности. Это может быть учтено, когда тональный диапазон дискретных значений уменьшается до 256 уровней. Чтобы избежать градационного деления изображений, любые изменения диапазонов тональности должны всегда производиться на дискретных данных перед уменьшением до 8 битовой глубины. Изменение контраста или освещенности применительно к 8 битовой глубине приводит к потере информации за счет ограничения некоторых из имеющихся 256 уровней серого до черного или белого. Как отмечалось в предыдущем разделе лДинамический диапазон, многие ПЗС регистрируют диапазон тональности, превышающий 8 делений диафрагмы. Каждое деление диафрагмы соответствует удвоению диапазона тональности. Чтобы не допустить чрезмерной потери информации о тональности во время А/Ц преобразования, количество имеющихся двоичных цифр должно соответствовать, по крайней мере, общему диапазону делений диафрагмы. Для ПЗС, который может зарегистрировать 9 делений диафрагмы, понадобится 10-битовый А/Ц преобразователь (большинство преобразователей имеют битовую глубину с четным числом). Избыточное количество дискретных данных при дроблении 9 делений диафрагмы на 14 битовую глубину даст лишь незначительное улучшение качества конечного изображения. Большая битовая глубина А/Ц преобразователя может означать более высокое качество, однако это справедливо только в том случае, когда ПЗС обеспечивает регистрацию достаточно широкого динамического диапазона и может передавать к преобразователю точные аналоговые данные с низким уровнем помех (см. лВопросы светочувствительности).Цветовая модель
Уровень серого для каждого пикселя в монохромном или полутоновом изображении обычно описывается одним 8 битовым числом. Пиксели в КЗС изображении требуют 8 битовое число для каждого цветового канала, предлагая гамму из более, чем 16 миллионов цветов (256 х 256 х 256). Результирующий 24 битовый файл займет в три раза больше места в памяти по сравнению с монохромным изображением. Когда КЗС (RGB) файл преобразуется в ГПЖЧ (CMYK) файл для цветной фотопечати, из предыдущих трех каналов создаются четыре 8 битовых канала, образующие файл с 32-битовой глубиной.Принцип действия чувствительных элементов
Чувствительные элементы в виде приборов с зарядовой связью регистрируют общую интенсивность освещения, но лучше всего они воспринимают красную, а не синюю часть спектра. В действительности, они также хорошо воспринимают инфракрасные волновые колебания. При использовании соответствующих фильтров фотоаппараты могут снимать только цветные, черно-белые или инфракрасные изображения. При увеличении температуры в элементах ПЗС могут формироваться паразитные заряды (помехи), ухудшающие восприятие реального освещения (см. лВопросы светочувствительности). В аппаратах для получения цветных снимков для регистрации и затем воспроизведения видимого спектра применяются красные, зеленые и синие фильтры, распределяющие свет по КЗС каналам. Чтобы не допустить чрезмерного количества красного, весь ПЗС перекрывается инфракрасным светофильтром. Компенсация пониженной чувствительности к синему достигается либо во время обработки считываемых показаний, либо увеличением времени для формирования зарядов в синих элементах. Если человеческое восприятие адаптируется к освещению с разной цветовой окраской, то фильтры обеспечивают такое восприятие, каким обладает глаз к дневному свету. Регулировка баланса белого вместе с системами управления светом (СМС) обеспечивают компенсацию для источников освещения с разной цветовой гаммой (см. лСвойства света). Чувствительные элементы с линейной матрицей считывают или сканируют строки информации поперек изображения. Трилинейные матричные массивы в сканирующих аппаратах включают три ряда элементов ПЗС, перед которыми установлены КЗС фильтры. Полноцветное изображение формируется по строкам. Матричные массивы, известные также как площадные массивы, захватывают всю сцену за долю секунды. Для формирования полноцветной информации для этой сцены, возможно, потребуется считывание для матрицы не один раз. В некоторых случаях для мгновенного восприятия всех цветов используются три матричных массива. Стоимость изготовления матричных массивов выше, чем трилинейных, в связи с тем, что процент брака при их производстве значительно выше. Во многих портативных аппаратах для мгновенного захвата полноцветных изображений используют один матричный массив, допускающий возможность перемещения объекта съемки. Реальное разрешение в этих аппаратах уменьшается, поскольку элементы ПЗС попеременно перекрываются красным, зеленым и синим фильтрами. Промежутки между одинаково окрашенными элементами заполняются путем установки усредненного значения или интерполирования считываний света. Информацией об этом процессе интерполяции определяется качество результатов, однако в большинстве случаев четкие высококонтрастные детали, например, черный текст, будут окружены цветной бахромой. КЗС фильтры применяются в виде полосок, обычной или псевдослучайной мозаики в этом типе матриц. Эти шаблоны фильтров могут случайно привести к искажению объектов съемки с мелкими узорами, давая на изображениях муар. На схемах показаны основные современные технологии ПЗС. Используемые иконки, как, например в разделе лВыбор вашего аппарата, показывают их атрибуты применительно к разрешению, освещению и движению объекта съемки.Сканирующий трехлинейный массив | Одновременная регистрация изображения тремя матричными массивами |
Каждый из трех параллельных линейных массивов имеет покрытие КЗС фильтрами. Цветное изображение формируется за дин проход. На каждом этапе перемещения по изображению показания считываются с трех массивов. В том случае, когда протяженность этапа такая же, как расстояние между каждым массивом, на этих последовательных этапах считывание КЗС показаний будет производиться с идентичной точки на изображении. Важно, чтобы была исключена возможность вибраций. Различная освещенность во время экспонирования будет регистрироваться как полоса. Линейные массивы созданы на базе более совершенной технологии, которая хорошо зарекомендовала себя в сканерах. Как правило, они обеспечивают более высокое разрешение по сравнению с матричными массивами. | Три отдельных матричных массива регистрируют информацию о цветах КЗС, исключая возможность уменьшения разрешения, имеющую место при использовании составных КЗС фильтров в одноматричных системах. Как правило, каждый массив регистрирует только один из КЗС компонентов. В некоторых случаях для регистрации зеленого цвета используются два массива, а третий снабжен составным красным и синим мозаичным фильтром. Зеленые массивы смещены относительно друг друга на половину пикселя, чем обеспечивается более высокое разрешение по зеленому каналу. Информация о красном-синем цветах, к которым глаз менее чувствителен, для заполнения промежутков интерполируется. |
Трехкратная регистрация изображения одним матричным массивом | Одновременная регистрация изображения одним матричным массивом |
Считывание трех отдельных видов информации через КЗС фильтры, установленные на вращающемся барабане с фильтрами, позволяет регистрировать цветное изображение с помощью матрицы с ПЗС, не имеющих фильтрующего покрытия. Каждый элемент ПЗС обеспечивает последовательное считывание КЗС. Максимальное разрешение ПЗС достигается без интерполирования программными средствами. Для регистрации черно-белых изображений может быть установлен прозрачный фильтр. Для экспонирования каждого из КЗС цветов может использоваться вспышка. Изменение освещения в процессе экспонирования ведет к нарушению цветового баланса. Неточное положение фильтров может стать причиной образованию цветной каймы на кромках деталей. * За исключением случаев получения черно-белых изображений, не следует допускать возможности перемещения аппарата или объекта съемки. | В этом случае мгновенно регистрируется полная информация о КЗС цветах. Элементы попеременно перекрываются КЗС фильтрами. Их конфигурация может быть в виде полос или мозаики. В некоторых случаях количество зеленых элементов может быть в два раза больше, чем красных и синих, за счет чего передача изображения будет более точной, так как наши глаза имеют наибольшую чувствительность к зеленому цвету. Недостаток составных КЗС фильтров заключается в том, что они имеют меньшую разрешающую способность: для регистрации одного пикселя используются три из четырех элементов массива. Для заполнения промежутков потребуется программная интерполяция, приводящая к появлению цветной каймы вокруг кромок высококонтрастных деталей, например, черного текста. |
Многократное экспонирование, одна матрица, перемещение подэлементов | Многократное экспонирование, одна матрица, перемещение всего элемента |
Разрешение и точность воспроизведения цветов маленькой матрицей, рассчитанной на регистрацию изображения при однократном экспонировании, возрастают за счет увеличения числа считываний, производимых либо путем перемещения массива, либо путем изменения положения светового луча после каждого считывания. Светочувствительная зона каждого элемента перекрывается маской и имеет небольшой размер. Пьезоэлектрические кристаллы смещают матрицу или световой луч всего лишь на 0,001 мм (1 микрон). Такой шаблон перемещения подэлементов позволяет элементам КЗС производить считывание с идентичных точек изображения, исключая необходимость выполнения интерполяции цветов. Считывание информации с матрицы без перемещений дает возможность мгновенно вывести на дисплей или монитор изображение с низким разрешением для предварительного просмотра. Важно использовать объективы с высоким разрешением. | Этот альтернативный вариант трехматричной системы с однократной регистрацией изображения имеет разрешение, полностью соответствующее разрешению матрицы только с одним массивом. Эта матрица перемещается три или четыре раза по всей ширине пикселя, обеспечивая возможность заполнения промежутков информацией о цветах КЗС не прибегая к интерполяции программными средствами. Аппараты, в которых применяется данная система могут иметь два режима работы. * Используется как матрица с однократной регистрацией изображений с интерполяцией программными средствами; с их помощью снимки подвижных объектов будут иметь меньшее разрешение, также возможно использование электронной вспышки. В режиме многократной регистрации неподвижные объекты съемки могут быть засняты при максимальном разрешении без помощи интерполяции. |
Понятие о светочувствительности
Чувствительность для цифровых аппаратов обычно указывают так же, как и для фотопленок, используя условные обозначения ASA (американская организация стандартов), DIN (немецкий промышленный стандарт) или ISO (международная организация по стандартизации). Шкала ASA имеет линейную зависимость: если числовое значение в два раза больше, это значит, что чувствительность пленки будет также в два раза выше. Для значений DIN принята логарифмическая прогрессия, так как от них зависит плотность пленки. Если к значению DIN прибавить 3, это будет означать увеличение чувствительности в два раза. В системе ISO используются значения как ASA, так и DIN (ISO 100/21о). Соотношение ASA/DINISO | ASA | 25 | 50 | 64 | 100 | 125 | 2000 | 400 |
DIN | 15о | 18о | 19о | 21о | 22о | 24о | 27о |
Пленка с ISO 100 | Пленка с ISO 400 | Пленка с ISO 800 |
ПЗС с ISO 100 | ПЗС с ISO 400 | ПЗС с ISO 800 |
А: Полное заполнение В: Насыщение Сигнал ж Шум | С: Уровень допустимого шума | ||
| Чтобы уровень зарядов не доходил до точки насыщения, устанавливается минимальное значение ISO. Когда отношение сигнал-шум находится на минимально допустимом уровне, значение ISO максимально. | |||
Линейный ПЗС | Матричный ПЗС | ||
На рисунке показан только один ряд трехлинейных ПЗС. В начале экспозиции все светочувствительные фотоэлементы возвращаются в исходное состояние, удаляя свои заряды. После этого под действием света снова происходит формирование заряда, который перемещается затем в смежные регистры с переносом или сдвигом. Регистры включают элементы ПЗС, которые не чувствительны к свету. Происходит сдвиг зарядов вдоль регистров и их считывание или измерение по мере того, как они покидают кромку регистра. Применение двух сдвиговых регистров ускоряет этот процесс. Общее время экспонирования и считывания для всех трех КЗС рядов фотоэлементов в любом линейном массиве называется линейным временем. Фотоэлемент | ¡ Заряд | На рисунке показаны три колонки фотоэлементов матрицы монохромного ПЗС. (1) После экспонирования происходит одновременный перенос всех зарядов в смежные вертикальные сдвиговые регистры. (2) Три колонки зарядов переходят скачком вниз по вертикальному сдвиговому регистру, перенося единичный заряд в горизонтальный сдвиговый регистр. (3) После этого все заряды в горизонтальном регистре смещаются к его кромке для считывания до того, как из вертикальных регистров поступит следующий единичный заряд. Таким образом с матрицы систематически считываются все заряды. Сдвиговый регистр | |
| Яркое освещение | Слабое освещение | |||
¡ Сигнал ¡ Шум | ||||
Чрезмерное переэкспонирование элемента ПЗС ведет к перетечке зарядов в смежные элементы или расплыванию изображения. За счет этого вокруг участков, дающих блики отраженного света, на изображении образуются засвеченные места. Расплывание изображения может происходить в элементах сдвиговых регистров, а также в фотоэлементах. Этим и объясняется то, почему по обеим сторонам переэкспонированного участка получается длинный след; перетечка зарядов может иметь место вдоль обеих сторон сдвиговых регистров. Когда уровни расплывания изображения в КЗС элементах будут разными, след станет цветным. | При недоэкспонировании заряды или сигналы, сформировавшиеся под действием света, будут слишком слабыми по отношению к вредному самовозникающему темновому току (шуму). Обычно при калибровке отдельных элементов производится удаление темнового тока из зарядов, образующихся под действием света. Однако в условиях слабой освещенности отношение сигнал-шум будет настолько малым, что точное считывание информации становится невозможным. Более всего подвержены действию шумов участки в тенях, что ведет к искажению окраски пикселей. | |||
Снижение разрешающей способности
Разрешение цифрового файла
Различное толкование термина "разрешение" может привести к довольно большой путанице. Когда изображение получено в цифровом формате с помощью сканера или цифрового фотоаппарата, файл содержит определенной количество пикселей в горизонтальном и вертикальном направлении. Описание одного пикселя не дает представления о том, насколько большим он будет при распечатке или выводе на дисплей с помощью мультимедийных средств или макета страницы. (Исключением являются средства для редактирования изображений; с их помощью зачастую отображаются пиксели фиксированного размера). Разрешение изображения в рамках файла кодируется с мощью единственного утверждения, например: "300 пикселей на дюйм". Всего лишь изменив это утверждение на "150 пикселей на дюйм", мы удвоим горизонтальные или вертикальные размеры каждого выведенного на дисплей или распечатанного пикселя, увеличив площадь изображения в четыре раза. В то же время, к добавлению в файл новых пикселей это не приведет. Размер файла данных, хранящегося в вашем компьютере, не увеличится. Если размеры пикселя увеличить слишком сильно, они будут видны с искажениями. Разрешение изображения должно соответствовать качеству выхода. Разрешение 72 пикселя на дюйм обычно используется при выводе на дисплей или крупнозернистой газетной распечатке, однако для высококачественного воспроизведения может потребоваться разрешение 300 пикселей на дюйм.Интерполяция или повторная выборка изображения
Как же произвести распечатку или вывод на дисплей изображения с увеличением, не изменив его разрешения? Для этого нужно добавить по всему файлу новые пиксели через определенные промежутки таким образом, чтобы увеличенное изображение все-таки содержало прежнее количество пикселей на дюйм. Чтобы удвоить ширину изображения, нужно между двумя первоначальными пикселями установить по одному новому пикселю. Тональные значения для каждого нового пикселя формируются путем усреднения значений соседних пикселей. Такая интерполяция или повторная выборка изображения (interpolation èëè resampling) исключит возможность того, что будут различимы отдельные пиксели или ступенчатые кромки, однако каких-либо новых деталей изображение не получит. На самом деле, резкие детали станут нечеткими из-за процесса усреднения, поскольку его действие распространяется еще на несколько пикселей. Также уменьшается резкость высококонтрастных кромок. Удвоение ширины и высоты изображения при его повторной выборке ведет к созданию файла, который займет в четыре раза больший объем памяти. УвеличениеИсходное изображение | 200% без повторной выборки изображения (с изменением его разрешения) | 200% с повторной выборкой изображения (с изменением его разрешения) | |
300 п/дюйм (7,62 см х 5,08 см (3"х2") | 900х600 пикселей Размер файла (ГПЖЧ): 2,06 Мб | 300 п/дюйм 900х600 пикселей 15,24 смх10,16 см (6"х4") Размер файла (ГПЖЧ): 2,06 Мб | 300 п/дюйм 1800х1200 пикселей 15,24 смх10,16 см (6"х4") Размер файла (ГПЖЧ): 8,24 Мб |
Интерполяционные программы определяют, куда для повышения разрешения нужно добавить по изображению новые пиксели. Затем в них обычно используется один из трех методов решения вопроса о том, какого цвета должны быть новые пиксели. Интерполяция по ближайшим смежным значениям является самым быстрым, но самым неточным способом, когда каждый новый пиксель будет иметь цвет самого близкого к нему пикселя. При билинейной интерполяции производится усреднение цветов двух пикселей, находящихся по обеим сторонам нового пикселя, чем обеспечивается более высокая точность цветопередачи. Самым точным, но длительным является метод бикубической интерполяции. В этом случае для определения цвета нового пикселя усредняются значения для всех пикселей, окружающих новый пиксель. |
Разрешение фотоаппарата
Разрешение или разрешающая способность в фотографии Ц это способность объектива или материала, применяемого для регистрации изображения, воспроизводить мелкие детали. Для получения оптимальных результатов разрешающая сила объектива должна быть равна или выше разрешения материала для регистрации изображения. Факторы, ограничивающие разрешение пленки, это Ц размеры скоплений химических веществ, образующих изображение, называемых зернистостью, и количество света, отраженного в эмульсии и вызывающего размывание деталей изображения. В статической матрице ПЗС расстояние от центра одного элемента до центра следующего (шаг = pitch) является определяющим показателем, хотя такие ошибки, как искажение сигнала, могут означать, что отдельные элементы не смогут зарегистрировать какую-либо уникальную деталь, за счет чего разрешение снизится. Самые мелкие детали, которые могут восприниматься самыми распространенными объективами 35-мм пленочных фотоаппаратов, имеют толщину от 20 до 30 микрон (m). Это предельное значение определяется диаметром кружка рассеяния и зависит от качества объектива (аберрации). В силу ряда причин создать высококачественный объектив практически невозможно. Например, синий цвет по сравнению с красным преломляется под большим углом, создавая в простой линзе хроматическую аберрацию. Этот недостаток в сложных современных объективах практически устранен. Идеальный объектив для цифрового фотоаппарата должен давать такие кружки рассеяния, диаметр которых не превышает шаг элемента ПЗС. Шаг элемента в современных ПЗС лежит в пределах 7 Ц 25 микрон. Некоторые системы с подпиксельными матрицами сдвига считывают показания в интервале 3 мк (см. лПринцип действия чувствительных элементов). Это означает, что объективы среднего качества, используемые в пленочных фотоаппаратах, обеспечат только удовлетворительное разрешение для ПЗС с невысоким разрешением. Специальные объективы с высоким разрешением имеют высокую стоимость, однако они нужны для достижения оптимальных результатов при использовании ПЗС с высоким разрешением.Измерение разрешения фотоаппарата | |
| Трилинейные сканирующие массивы обеспечивают передачу очень мелких деталей. Расстояние между фотоэлементами составляет 10 или менее микрон, поэтому следует применять объективы с высоким разрешением. Отдельные значения КЗС считываются для каждого пикселя без интерполяции цветов. | Шаг фотоэлементов в единичных матричных массивах обычно составляет 10-20 микрон. Значения, считанные чередующимися КЗС фотоэлементами, для заполнения цветовых промежутков, интерполируются. В результате вокруг кромок тонких высококонтрастных деталей, например текста, возникают цветные ореолы. |
Если с матрицей ПЗС с малым шагом элементов использовать объектив среднего качества, это станет причиной того, что максимальное разрешение матрицы получено не будет. Суммарное разрешение объектива и цифрового фотоаппарата определяют путем тестирования с помощью стандартной промышленной миры IT10. Мира имеет подборки черных и белых линий разной толщины, расположенные под разным углом. При фотографировании миры самые тонкие линии получаются размытыми имеют вид серой массы. Максимальное количество пар черных и белых линий на миллиметр (пар линий/мм), которое можно различить на снятом изображении, показывает суммарное разрешение объектива и аппарата. Измерение под названием функция передачи модуляции (ФПМ) (Modulation Transfer Function = MTF) выполняют путем сравнения контраста пар линий в исходном и отснятом изображениях. |