Основы цифровой фотографии.

Стремительное развитие компьютерных технологий, прогресс в области цифровой записи изображения обусловили огромный интерес к устройствам позволяющим получать фотографическое изображение без химической обработки. Отсутствие потерь в качестве при длительном хранении и копировании, неограниченные возможности компьютерной обработки изображения привлекают художников, фотографов, .компьютерщиков., как профессионалов, так и любителей. Многие из них впервые сталкиваются с компьютером, конечно же, исключая тех для кого компьютер профессия или увлечение. Но и для них полезно сравнить .цифру. с традиционной фотографией и окончательно сделать выбор, или используя достоинства обеих получать неожиданные, а зачастую и превосходные результаты. Давайте, вместе сравним и разберёмся, что необходимо для занятий цифровой фотографией каждой группе пользователей, и в какую сумму, на сегодняшний день, обойдется любимое хобби. О профессионалах поговорим отдельно, так как у них, от качества результата зависит гонорар и, что немаловажно, мнение клиентов и коллег.

Термины и понятия, которые надо знать:

Цифровая фотография . явление молодое и не предполагает полный отказ от традиционных методов. Чтобы получить лучший результат и не переплачивать за ненужную аппаратуру пришедший в магазин покупатель должен четко представлять себе, чем он собирается заниматься и какой результат намерен получить. Для этого необходимо, хотя бы немного, ориентироваться в терминах и понятиях, иначе попав в руки недобросовестного продавца, клиент может переплатить не одну сотню (а то и тысячу) честно заработанных долларов.

Понятие о цифровой фотографии.

При использовании обычных фотоаппаратов изображение фокусируется на фотографической пленке со светочувствительным покрытием, содержащим кристаллы галоидного серебра. Во время проявки пленка погружается в химические реактивы, которые проявляют и закрепляют изображение. Аналогично, в цифровых фотоаппаратах и сканерах изображение фокусируется на светочувствительный полупроводниковый кристалл . прибор с зарядовой связью ПЗС (charged-coupled device, CCD) . то, что часто называют матрицей. Записывается и хранится изображение на сменных .картах. памяти (иногда встречаются фотокамеры с встроенной памятью).

С карт памяти, посредством адаптеров или кабелей информация поступает в компьютер, где происходит окончательная .доводка. картинки: ретушь, при необходимости монтаж или другие творческие методы обработки изображения. После чего изображение распечатывается на сублимационном, струйном, лазерном или другом принтере. Хранятся изображения в виде файла на компакт-дисках или других носителях, откуда они могут быть в любой момент извлечены. Ниже мы подробнее остановимся на устройствах, принимающих участие в формировании цифрового изображения, их типах и характеристиками связанных с ними.

Понятие о сканировании.

Сканер . это устройство, позволяющее переводить текстовые и графические материалы, вообще любые изображения объектов на бумаге, фотопленке или других оригиналах в .цифровой. вид, что существенно удешевляет и упрощает хранение и процесс дальнейшей работы с ними. Здесь идет речь о сканерах для работы с фотопленкой (слайд-сканеры) и в дальнейшем именно они будут называться сканер. Настольные цветные сканеры имеют источник света (люминесцентную или галогенную лампу, либо светодиодную матрицу), который перемещается рядом с изображением, либо изображение перемещается рядом с источником света. Свет, излучаемый лампой, проходит сквозь изображение и пакет из красного, синего и зеленого светофильтров, попадет на CCD-датчик (матрицу, ПЗС), регистрирующий эту информацию. Воспринимающее устройство в однопроходных сканерах содержит три линейки светочувствительных CCD-датчиков с отдельным покрытием для восприятия красного, синего, зеленого света.

Матрица - датчик (светочувствительный элемент), частично выполняющий функции фотопленки; регистрирует изображение, преобразуя свет в электрический сигнал. Матрица (ПЗС, CCD) состоит из большого количества ячеек. Каждой ячейке соответствует элемент изображения, получивший название пиксела (pixel от англ. picture element - элемент изображения). В технических характеристиках фотокамеры обычно указывается количество пикселов на матрице или размер матрицы в пикселах. Например: для фотокамеры Canon Power Shot А5 Zoom общее количество элементов изображения 810000, максимальное разрешение равно 1024х768, что составляет 768432 рабочих пикселов (т.е. используемых при регистрации изображения). Количество пикселов на матрице непосредственно связано с такой характеристикой изображения, как разрешение.

Оптическое разрешение (обычно указывается для сканеров), это характеристика изображения, показывающая на какое количество элементов (точек) аппаратура позволяет разбить изображение оригинала, и выражается в точках на дюйм dpi (dot per inch). Например, параметр 300 dpi означает, что каждый квадратный дюйм изображения разбит на 300 точек по горизонтали и 300 по вертикали. Чем больше разрешение, тем больше информации об оригинале может быть введено в компьютер и подвергнуто дальнейшей обработке.

Существует также понятие интерполяционного разрешения . При интерполяции между двумя точками изображения, программными или аппаратными средствами вставляется одна или несколько дополнительных точек, которым присваивается среднее значение цветов соседних. Однако каким бы замечательным ни был алгоритм интерполяции, это созданные искусственно, а не снятые с оригинала данные, обычно не дающие реального выигрыша в качестве.

Для полноценного сканирования слайдов и негативов чрезвычайно важен такой параметр, как диапазон оптической плотности ( динамический диапазон ). Этот параметр показывает диапазон оттенков в оригинале, которые может различить сканер: от самого светлого до самого темного. Диапазон плотностей измеряется по логарифмической шкале от 0,0 (светлый) до 4,0 (темный). Типичная пленка имеет минимальную плотность около 0,3 и максимальную плотность до 3,3; разница значений или диапазон оптической плотности составляет около 3,0, хотя диапазон некоторых слайдов достигает значения 3,6. Если слайд имеет максимальную плотность (Dmax) 3,3, а сканер оперирует значениями только до 3,0, то детали цветов плотностью выше 3,0 скорее всего окажутся черными. То есть на практике, динамический диапазон - это способность слайд-сканера фиксировать малоконтрастные детали в тенях и "светах". Чем шире диапазон, тем большее количество деталей и оттенков различает сканер. Из вышеизложенного ясно, что в настоящее время минимально допустимым значением для слайд-сканера считается 3,0, хорошим 3,2 - 3,4, а отличным 3,6. Сравнивать характеристики диапазонов плотностей следует с осторожностью. Не существует стандартных процедур измерения и записи диапазона плотностей. Некоторые производители могут выполнять тесты для измерения реального, практического диапазона. Другие приводят только теоретические пределы для своих сканеров. Нельзя принимать решение только на основе заявленных характеристик, лучше выполнить несколько пробных сканирований.

Глубина цвета отражает разрядность аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Это характеристика, показывающая, насколько точна информация о цвете каждой точки отсканированного изображения. Глубине цвета в 1 bit соответствует черно-белый режим работы сканера, каждая точка может быть только черной или белой. В сером режиме глубина цвета составляет обычно 8 bit, этому соответствует 256 градаций серого. Именно такое количество оттенков возможно для каждой точки, т.е. при работе с цветом, каждый цвет имеет 256 оттенков (от самого светлого до самого темного). Итак, каждый пиксел матрицы чувствителен к трем цветам: красному, зеленому и синему (из которых состоит белый свет). В случае, если каждый цветочувствительный элемент пиксела имеет глубину 10 bit, датчик способен различить 1024 градации каждого цвета, и говорят, что АЦП сканера имеет разрядность 10 bit на цветовой канал. Хотя программное обеспечение, поставляемое в комплекте со сканером, в большинстве случаев создает файл с 30-разрядным цветом (по 10 разрядов для красного, зеленого и синего каналов), внутреннее аналого-цифровое преобразование может задавать значение цветов 40 и даже большим числом разрядов. Такая реализация принята потому, что 1 млрд. цветов, доступных при 30 разрядах (бит) на пиксел, могут распределяться в изображении неравномерно: особенно часто теряются оттенки в тенях и на самых светлых участках. Нельзя забывать, что светочувствительные элементы и цепи аналого-цифрового преобразования вносят определенный шум. Поэтому, снимая с оригинала информацию с глубиной цвета более 30 разрядов для каждого пиксела, сканер отбрасывает информацию, которая, скорее всего, содержит шум, и при этом в его распоряжении останется достаточно информации для обработки и получения на выходе изображения с глубиной цвета 30 разрядов.

"Шум" - характеристика сильно связанная с динамическим диапазоном и глубиной цвета, указывает на наличие дефектов изображения (мелких вкраплений, отличающихся от окружающего по тону и цвету). Природа шумов различна. Шум, возникший из-за проблем в цепи аналого-цифрового преобразования, нарушает чистоту и насыщенность цвета и возникает чаще всего на участках минимальной и максимально плотности. Эта характеристика не указывается в спецификациях фотокамеры или сканера и может быть оценена только после пробной съемки или сканирования.

Для понимания технических характеристик фотоаппарата необходимо знать еще несколько тонкостей:

• Приоритет выдержки и диафрагмы. У некоторых моделей цифровых фотокамер функция приоритета выдержки или диафрагмы позволяет выставить два или три значения (обычно два крайних и среднее).
• Ручная фокусировка не всегда означает вращение кольца фокусировки на объективе, с контролем по матовому стеклу. Часто это установка численного значения расстояния до объекта съемки на ЖКД фотокамеры.
• Смысл цифрового зума заключается в том, что центральная часть кадра интерполируется камерой до границ полного кадра. Реальное разрешение снижается пропорционально кратности цифрового зума. Цифровой зум не исправляет искажений перспективы, вносимых широкоугольным объективом.

Качество изображения определяет матрица.

Может быть, это очень сильное заявление, но все-таки, для цифрового фотоаппарата или сканера значение характеристик матрицы переоценить сложно. От качества матрицы зависят все перечисленные параметры и характеристики, а они в результате определяют качество изображения. Хочется выделить особенности связанные непосредственно с параметрами матрицы.

Главное (конечно, после качества изображения), что зависит от CCD-датчика (матрицы) - это цена фотоаппарата. Затраты на производство матрицы часто доходят до 50% от стоимости фотоаппарата. Не последнюю роль, в определении стоимости производства матрицы играет ее размер.

Физический размер датчика определяется длиной его диагонали, которая в свою очередь определяет фокусное расстояние используемого объектива. Длина диагонали указывается в дюймах, и составляет, как правило, 1/3, ? и 2/3 дюйма. В технических характеристиках приводится уже пересчитанное для малоформатного (с шириной пленки 35мм) фотоаппарата фокусное расстояние. Как известно фокусное расстояние стандартного (штатного) объектива определяется диагональю кадра, что для пленки шириной 35мм с размером кадра 24х36мм составляет приблизительно 50мм. Таким же образом рассчитывается фокусное расстояние для цифровой камеры. Например: фотокамера Canon Power Shot А5 Zoom имеет матрицу с диагональю 1/3". Стандартным, для этого фотоаппарата, будет объектив с фокусным расстоянием около 8мм. То есть если в характеристике цифровой фотокамеры указанно фокусное расстояние 4,5-11,2 мм надо понимать, что в пересчете для 35мм пленки это будет равно 28-70мм, что является привычным. Размер матрицы обычно значительно меньше, чем размер стандартного кадра 24х36 мм. В случае, если Вы работаете с цифровым SLR (Single Lens Reflex - зеркальным однообъективным) фотоаппаратом и сменной оптикой (рассчитанную для 35 мм фотоаппарата), фокусное расстояние объективов увеличивается. Например, для работы с фотоаппаратом NIKON D1, фокусное расстояние, всей линейки оптики NIKON, увеличивается в 1,5 раза.

Об изображении.

Чем больше размер матрицы, тем большее количество пикселов она содержит, а значит, изображение будет иметь большее разрешение. От разрешения, неважно оптического или интерполяционного, зависит, в конечном счете, резкость изображения, наличие или отсутствие мелких деталей, возможность сделать большое увеличение.

Динамический диапазон CCD-сенсора является очень важной характеристикой профессионального качества изображения и соответствует понятию фотографической широты пленки, определенной как способность точно передавать полный диапазон градаций яркости в сцене. При ярком солнечном свете фотографические сцены могут легко иметь динамический диапазон в десять ступеней (чисел диафрагмы) от глубоких теней до самых ярких областей. Изображение хорошего качества не обязательно должно охватывать весь этот диапазон, так как и современные фотоматериалы не в состоянии этого достичь. Система, которая зафиксирует диапазон до восьми ступеней, может считаться превосходной. CCD-сенсор с ограниченным динамическим диапазоном будет давать низкое качество изображения. Пользуясь камерой с таким сенсором, фотограф должен либо недоэкспонировать кадр, чтобы сохранить яркостную информацию (это исключит тени), либо слегка переэкспонировать сцену , чтобы усилить важные теневые детали, в результате чего "света" получатся избыточно светлыми и потеряют насыщенность и детали.

Динамический диапазон CCD-сенсора связан с разрядностью АЦП (глубиной цвета). Обычно профессиональные цифровые камеры имеют разрядность АЦП от 10 до 14 бит. Зависимость количества значений яркости от разрядности АЦП, линейна: 10 бит - 1024 значения, 12 бит - 4096, 14 - 16384. В хорошо спроектированной системе динамический диапазон сенсора соответствует количеству бит в преобразователе.

Для получения хорошего результата важны также такие характеристики матрицы как светочувствительность, цветопередача, уровень шумов. Для оценки цветопередачи и уровня шумов рекомендуется сделать пробную съемку, либо положиться на совет профессионала, т.к. эти характеристики не публикуются. Данные по динамическому диапазону и глубине цвета у фотокамер публикуются, только для профессиональных моделей.

Форматы и объем записи изображения.

Самым распространенным из форматов записи изображения, в связи с небольшим объемом файла, является формат JPEG (Joint Photographic Experts Group). Формат JPEG предназначен для сохранения точечных файлов со сжатием. Сжатие по этому методу уменьшает размер файла от десятых долей процента до ста раз (практически диапазон уже: от 5 до 15 раз), но сжатие в этом формате происходит с потерями (в большинстве случаев эти потери находятся в пределах допустимых). Распаковка .JPG-файла происходит автоматически во время его открытия.

Формат TIFF (Tagged Image File Format) был создан в качестве универсального формата для изображений с цветовыми каналами (файл с расширением .TIF). Важным достоинством этого формата является его переносимость на разные платформы (при сохранении вы можете создать документ доступный для чтения на компьютерах совместимых с IBM PC или Macintosh), он импортируется всеми настольными издательскими системами, его можно открыть и с ним работать практически в любой программе точечной графики. Этот формат имеет самый широкий диапазон передачи цветов: от монохромного, до 24-битовой модели RGB.

Формат ВМР предназначен для Windows, и поэтому поддерживается всеми приложениями работающими в этой среде. Он использует только индексированные цвета (ограниченная цветовая гамма), не зависим от платформы, не поддерживает каналы. Для профессиональной работы с цветом мало пригоден.

Формат RAW обычно представляет собой файл из последовательности чисел (байтов), описывающих цветовую информацию, и предназначается для передачи изобразительной информации между разными программами и платформами.

Современной цифровой фотокамере для нормальной работы, чтобы записать около 3-5 снимков, с максимальным разрешением, нужна карта памяти емкостью хотя бы 8Мб. Объем памяти, необходимый для записи изображения, полученного цифровой фотокамерой , зависит от сложности объекта фотосъемки. Чем больше на снимке мелких деталей, цветовых различий и т.п. - тем больше информации обрабатывает цифровая фотокамера, тем больше объем памяти, требуемый для записи изображения. Но не всегда есть необходимость записывать изображение с максимальным разрешением, что занимает наибольший объем места. Часто фотография необходима для обмена по электронной почте, для размещения на страничке интернета, что не требует высокого разрешения, а наоборот предпочтителен небольшой объем файла. Даже для печати фотографии небольшого размера на принтере или размещения изображения в газете часто достаточно и половины от разрешения, которое позволяют получить цифровые фотокамеры типа Nikon Coolpix 990. Для решения проблемы объема файлов производители обычно предлагают несколько режимов записи с разным разрешением: высокое, стандартное, низкое.

1. Высокое - изображение записывается с разрешением около 1712х1368/1600х1200 пикселов.
2. Стандартное - изображение с разрешением 1024х768 пикселов.
3. Низкое - 640х480 пикселов.

Здесь приведены наиболее характерные параметры, которые у разных моделей могут отличаться.

Также обычно предлагается несколько степеней сжатия изображения, что позволяет значительно уменьшить размер файла. Для высокого разрешения существуют следующие степени сжатия: Super High Quality (SHQ), High Quality (HQ), для стандартного: Normal, Standard, для низкого: Econ, E-mail.

Если сжатие происходит в формате JPEG, то потери качества изображения неизбежны, и чем больше сжатие, тем больше будут эти потери. У многих цифровых фотокамер среднего и высокого (от 600$) уровня есть возможность записывать изображение без сжатия в формате TIFF. Без сжатия на карту памяти емкостью 8 Мб реально записать не больше 1-2 кадров, а для фотоаппаратов с матрицей размером более 3 млн. пикс. необходима карта памяти объемом 16 Мб. Далее с уменьшением разрешения и увеличения степени сжатия объем файла для каждого кадра уменьшается и количество файлов на карте памяти, соответственно увеличивается.