Videc

В конце ХХ века произошли революционные изменения  в области фотографии. На смену светочувствительному фотоэмульсионному слою  на плёнке пришел электронный прибор с зарядной связью ПЗС матрица или сенсор. Это совершенно новое решение вопроса регистрации светового потока. Вместо кристаллов галогенного серебра поток световой энергии регистрируется в ячейках пзс матрицы, а затем, с помощью электронного устройства считывается с матрицы и записывается на специальные карты памяти (например флэш-карты) в форме цифрового сигнала, представляющего собой последовательность кодовых (цифровых) комбинаций электрических импульсов. Цифровой сигнал формируется в канале записи либо в результате преобразования непрерывного во времени сигнала изображения (наз. аналоговым), либо путём перекодирования цифрового сигнала в другую кодовую форму. Преобразование аналогового сигнала в цифровой (аналого-цифровое преобразование) базируется на методах импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). В итоге регистрируется преобразованный в цифровую форму сигнал.   Такой метод назвали цифровой фотосъёмкой, которая имеет свои преимущества и свои недостатки в сравнении с традиционным методом съёмки на фотоплёнку.

В чём преимущества цифровой фотосъёмки:

Быстрое получение результатов

Полученное изображение можно увидеть значительно быстрее, чем при традиционном фотопроцессе. Как правило, камеры позволяют просмотреть изображение на встроенном ЖК-экране или присоединённом мониторе сразу после съёмки (а в незеркальных и некоторых зеркальных камерах — даже до съёмки). Кроме того, изображение можно довольно быстро загрузить на компьютер, а уже там рассмотреть во всех деталях. Быстрое получение результатов способствует раннему выявлению неустранимых ошибок (и пересъёмке) и лёгкому обучению. Что удобно как начинающим, так и любителям/профессионалам.

Готовность для применения на компьютере

Цифровая фотография является самым быстрым и дешёвым способом получения изображений для последующего использования на компьютере — загрузке изображений (фотографий людей и объектов) в базы данных, создания художественных работ на базе фотографии, измерений и т. п. Конечно можно и негатив оцифровать и загрузить в компьютер, но это связано с дополнительными затратами.

Экономичность и простота

Процесс цифровой съёмки не требует расходных материалов (плёнки) и средств/материалов для фотопроцесса (проявления изображения на плёнке). Поэтому неудачные кадры, если не учитывать трудозатраты, не стоят фотографу ни копейки. Точнее, стоят очень мало, так как цифровые носители, в основном, являются многоразовыми с большим ресурсом перезаписи.

Гибкое управление параметрами съёмки

Цифровая съёмка позволяет гибко управлять некоторыми параметрами, которые, в традиционном фотопроцессе, жёстко привязаны к фотоматериалу плёнки — светочувствительностью и цветовым балансом (также, называемым балансом белого). Эквивалентная чувствительность (в единицах ISO по аналогии с фотоматериалами) вычисляется камерой автоматически, применительно к снимаемой сцене, а в большинстве камер может быть выставлена и вручную. В традиционном фотопроцессе используют два вида плёнки разного цветового баланса (для дневного света и электрического освещения), и корректирующие светофильтры.  Цифровая камера может изменять цветовой баланс очень гибко — его можно выбрать согласно освещению, позволить камере определить автоматически или точно настроить по серому образцу. Цветовой баланс, также, можно изменить после съемки, с помощью программы обработки изображения, формат RAW позволяет это сделать без потерь глубины цвета.

В отличие от традиционного фотопроцесса, в цифровой фотографии существуют очень широкие возможности коррекции и внесения дополнительных эффектов уже после съёмки. Вы можете поворачивать, кадрировать, монтировать, изменять параметры изображения (целиком или на отдельном участке), производить ручную или автоматическую коррекцию дефектов несравненно проще и качественней, чем при съёмке на плёнку.

Преимущества цифрового представления

Так как оригинал изображения при цифровой съёмке является массивом чисел, то хранение, копирование, передача на произвольное расстояние не изменяет его — любая копия является идентичной оригиналу. Во всяком случае, недостоверность данных можно довольно просто установить, и сделать повторную копию/передачу всего массива или его фрагмента (или его восстановление по избыточной информации). Что очень важно для репортажной журналистики, где необходимо срочно передать материалы съёмки в редакцию Копия же с плёнки, в особенности при последовательном копировании, будет отличаться от оригинала. Разумеется, цифровой носитель может выйти из строя, но информация, при её правильном хранении (с достаточной избыточностью и периодической заменой носителей) может быть сохранена неизменной произвольный период времени.

Ёмкость цифровых носителей

Цифровые камеры, как правило, позволяют делать бо́льшее количество кадров, чем плёночные, потому что (если не учитывать ёмкости аккумуляторов) ограничены только ёмкостью цифровых носителей, а последние отличаются более широким ассортиментом, нежели фотоплёнка. Правда, фактическое количество фотографий, которое можно записать на носитель, зависит от характеристик камеры (разрешения изображения) и формата записи.

К недостаткам цифровой съёмки можно отнести:

Разрешение изображения

При цифровой съёмке изображение представляется дискретным массивом точек (пикселей). Детали изображения размером меньше одного пикселя не сохраняются. Разрешение получаемого изображения (число или размеры матрицы пикселей) определяется базовым разрешением сенсора (матрицы) камеры, а также её текущими настройками. Более высокое разрешение позволяет сохранить больше деталей изображения, но приводит к увеличению размеров цифрового образа, требующего от камеры и компьютера более высокой производительности и носителей бо́льшего объема. Вместе с тем фотоплёнка также имеет свою дискретность. Изображение на плёнке образовано чёрными или пигментными доменами («зерном») разного размера, осаждёнными во время фотопроцесса.      Исходя из среднего размера зерна фотоплёнки, аналогичным разрешением для цифрового изображения принято считать разрешение 12-16 мегапикселей на кадр. Такое или большее разрешение имеют современные зеркальные камеры. Однако, реальное разрешение получаемого изображения (то есть степень различимости деталей), кроме пиксельного разрешения сенсора зависит от оптического разрешения объектива и устройства сенсора.

Влияние устройства электронного усиления

Разрешение изображения, также, может ограничить устройство сенсора. Далее происходит преобразование сигнала, его усиление и запись. В этом процессе возникают дополнительные шумы.  Цифровые фотографии, в той или иной степени, содержат цифровой шум. Количество шума зависит от технологических особенностей сенсора (линейного размера пикселя, применяемой технологии ССD/CMOS, и др.). Шум в большей степени проявляется в тенях изображения. Шум возрастает с увеличением светочувствительности съёмки, а также, с увеличением времени экспозиции. Цифровой шум в чём-то эквивалентен зернистости изображения на фотоплёнке. Зернистость повышается с увеличением чувствительности плёнки, точно также как и цифровой шум. Однако, зернистость и цифровой шум имеют разную природу и различаются по внешнему виду. Цифровой шум начинает подавляться ещё при считывании с сенсора (вычитанием «нулевого» уровня каждого пикселя из считанного потенциала), продолжается при обработке изображения камерой (или конвертером RAW-файла). При необходимости шум также может быть дополнительно подавлен в программах обработки изображений. При конвертации RAW-файлов мы работаем с неизменёнными данными с матрицы аппарата и поэтому можем более точно работать с подавлением шумов, так как изображение и шумы на нем не размыты интерполяцией цветовых плоскостей.

Дефект Муар

При цифровой съемке происходит растрирование изображения, поэтому если в изображении присутствует другой растр (фактурные ткани, линейные узоры, экраны мониторов и телевизоров) близкий по размеру к растру сенсора, может возникнуть муар — биение растров, образующее зоны усиления и ослабления яркости, которые сливаются в линии и текстуры, которых нет на объекте съемки. Муар усиливается с приближением частот и уменьшением угла между растрами.

Последнее свойство означает, что муар можно уменьшить, снимая сцену под некоторым углом, подобранным опытным путем. Нормальную ориентацию сцены можно вернуть в графическом редакторе (ценой потери краёв, и некоторой потери четкости). Муар очень ослабляется при расфокусировке — в том числе «смягчающими» светофильтрами (которые применяются в портретной съемке) или оптикой относительно невысокого разрешения, неспособной сфокусировать точку, соизмеримую с линией растра сенсора (то есть, оптика невысокого разрешения или сенсор с пикселями маленького размера. Фильтр Байера (мозаичный фильтр Байера используют для цветоделения), применяемый в большинстве современных цветных фотосенсоров, вносит в муар свою лепту - из-за интерполяции цвета  снижает резкость и ослабляет муар от пиксельных растров, а также придает отдельным участкам реальных или муарных линий цветовые девиации. Вместе с тем, фильтр Байера порождает еще четыре растра в цветовых плоскостях, что может быть причиной появления цветного муара. Цветные растры являются менее плотными, и образуют менее плотный муар, но при этом имеют вдвое меньшую частоту, и, поэтому, образуют муар на бо́льшем количестве объективов. Существуют алгоритмы подавления различных типов муара, применяемые в некоторых камерах при съёмке, а также RAW-конвертерами и графическими редакторами.

Статические дефекты сенсоров

Отдельные светочувствительные элементы сенсора, в результате производственного брака могут обладать аномальной (пониженной или повышенной) чувствительностью или не работать вообще. В процессе эксплуатации могут появиться новые дефектные элементы. На нынешнем уровне развития технологии производства сенсоров избежать появления дефектных элементов очень сложно, и сенсоры, содержащие их в малом количестве, не считаются бракованными. Статически «белые» или элементы с повышенной чувствительностью называют «горячими» пикселями (или хот-пикселями), статически черные — «мертвыми» или «битыми» пикселями. Дефекты изображения, образовавшиеся в результате аномалий сенсора, обычно устраняются фильтрами шумоподавления. Также камера может программироваться на особенности своего сенсора так, чтобы аномальные элементы игнорировались при считывании, а их значения определялись интерполяцией. Такое программирование, римэпинг, (Англ. remaping — повторное картирование) проводят в процессе контроля качества, при появлении новых дефектных элементов римэпинг можно повторить (самостоятельно или в сервисном центре).

Загрязнение матрицы

Смена объективов на зеркальном аппарате приводит к попаданию пылинок. На плёночном аппарате каждая такая пылинка может испортить максимум один кадр. Основательно прилипшая пылинка на матрице будет «прилипшей» ко всем снятым после этого кадрах. Поэтому возникает задача чистить матрицу от пыли или защищать её от налипания.

Фотографическая широта

В отличие от пленочных камер, в которых можно поставить пленку с разной фотографической широтой, динамический диапазон цифровой камера определяется ее сенсором и не может изменяться. Светочувствительный сенсор первых цифровых камер имеел более низкий динамический диапазон по сравнению с традиционной фотоплёнкой (в особенности, негативной).

Поэтому при съемке сюжета с большим диапазоном яркостей  на цифровых снимках наблюдалось «выгорание» свето́в и/или зачернение теней.  При «выгорании» пиксель приобретает максимальное значение яркости, при зачернении значение яркости приближается к минимальному значению (а также приближается или оказывается ниже уровня цифрового шума).  Динамический диапазон сенсора зависит от линейного размера светочувствительного датчика (фотодиода) на сенсоре. Чем он больше, тем больше света на него попадает, тем больше получаемый диапазон зарядов и тем меньше влияние флуктуаций (проявляющихся электронным шумом), тем бо́льшую широту можно с него получить. Поэтому, зеркальные камеры, имеющие размер датчика от 5,5 до 8,2 микрон имеют больший динамический диапазон, чем компактные камеры с датчиком от 1,5 до 3,5 микрон. Кроме того сенсоры с бо́льшими датчиками дают меньше цифрового шума.

Цифровые задники для «среднего формата» имеют еще больший размер датчика — от 7 до 9 микрон, что позволяет делать фотографии с ещё бо́льшей фотографической широтой и меньшим количеством шума. Некоторые камеры для повышения фотографической широты используют сенсоры с датчиками разной чувствительности и размера, группируемые для получения яркости конечного пиксела изображения.

Динамический диапазон современных зеркальных камер , больше 10EV, а у лучших моделей приближается к 12 EV, что больше фотографической широты профессиональных фотопленок (9 EV), и близко к их полному динамическому диапазону (с учетом запаса на краях характеристической кривой пленки) и намного больше фотошироты слайда.

Внутренние отражения

Фотосенсор, представляющий собой интегральную схему, выполненную на полированном монокристалле кремния, отражает свет сильнее, чем имеющая матовую поверхность фотоплёнка. Эти паразитные отражения могут вызвать появление бликов (особенно заметных на ночных снимках с источниками света в кадре). Кроме того, в оптической системе цифрового фотоаппарата присутствует ИК фильтр, также имеющий отражающие поверхности. С некоторыми объективами это порождает дополнительные блики и паразитные изображения («зайцы»), отсутствовавшие на плёнке.

Недостатки цветоделения

Наиболее распространённая ныне цветная плёночная фотография использует многослойную фотоэмульсию со слоями, чувствительными к разным диапазонам спектра видимого света. Большинство же современных цветных цифровых камер используют для цветоделения мозаичный фильтр Байера или его аналоги. В фильтре Байера каждый датчик на фотосенсоре имеет светофильтр одного из трёх основных цветов и воспринимает только его. Такой подход имеет ряд недостатков.

Потери разрешения

Полное изображение получается восстановлением (интерполяцией) цвета промежуточных точек в каждой из цветовых плоскостей. Интерполяция снижает разрешение (резкость) изображения. Снижение разрешения, отчасти, корректируется методом «нерезкой маски» — повышением контрастности на яркостных переходах изображения. В документации эта операция называется «коррекцией резкости» или просто «резкостью». Злоупотребление нерезкой маской приводит к появлению ореолов на переходах яркости и цвета изображения. Зачастую «повышение резкости» выполняет сама камера. Но автоматическая коррекция резкости часто имеет слишком низкий порог чувствительности и усиливает цифровой шум. В камерах любительского уровня применение нерезкой маски можно запрещать, чтобы сделать необходимые коррекции на компьютере (в конвертере RAW-файлов или графическом редакторе) с параметрами, наиболее подходящими для каждого изображения, а также выполнить их в требуемом порядке.

Многослойные сенсоры

Идея многослойного сенсора, аналогичного современной цветной фотоплёнке с многослойной эмульсией, всегда владела умами разработчиков электроники, но до последнего времени не имела методов для практической реализации. Разработчики компании Foveon решили использовать свойство кремния поглощать свет разной длины волны (цвета) на различной глубине кристалла, расположив датчики основных цветов друг под другом на различных уровнях микросхемы. Реализацией этой технологии стали сенсоры X3, анонсированные в 2005 году. Сенсоры X3 считывают полную гамму цветов на каждом пикселе, поэтому им несвойственны проблемы, связанные с интерполяцией цветовых плоскостей. У них есть собственные проблемы — склонность к шуму, межслойная хроматическая аберрация, и тому подобное.                                                      Но эта технология еще находится в активном развитии.

Источники:

1.Справочник «Фото и Видео» Бабкин Е.В. и др.1995г.
2. «Достоинства и проблемы цифровой фотографии». ВКП. 2005г.
3.www.penta-club.ru/forum/index/php   2010г.