Текст книги "Цифровая фотография. Фотоэнциклопедия"

Владимир Клиновский
Цифровая фотография. Фотоэнциклопедия

Часть I
Алгоритм формирования цифрового изображения

Немного истории

Как ни удивительно, но до наших дней сохранилась первая фотография, изображающая городской пейзаж. Она была сделана французским изобретателем Ж. Н. Ньепсом в 1826 г. с помощью камеры-обскуры за 13 лет до официально признанного дня рождения фотографии. В качестве светочувствительного слоя Ж. Н. Ньепс использовал раствор асфальта в лавандовом масле, который наносил на оловянную, медную или посеребренную пластинку.

Самая старая фотография

7 января 1839 г. на заседании парижской академии наук Л. Ж. М. Дагер сделал доклад об изобретении способа получения видимого изображения с помощью светочувствительного материала. Этот день и принято считать днем рождения фотографии.

В 1829 г. Ньепс и Дагер объединили свои усилия в поисках материалов и химических веществ для получения устойчивого изображения. В 1837 г. им удалось впервые сделать отпечаток, не чувствительный к воздействию света, или, выражаясь современным языком, закрепить снимок, что позволило сделать процесс получения фотографического изображения массовым. Рассвет дагеротипии и ее триумфальное шествие по миру пришлись на 1840–1860 гг.

Л. Ж. М. Дагер

Ж. Н. Ньепс

Английский ученый В. Г. Ф. Талбот к фотографическим опытам приступил в 1834 году. Через год получил фотоизображения с помощью предложенного им ранее «фотогенического рисования», этот способ был назван талботипией. Сходство способов получения фотоизображения Дагером и Талботом ограничивалось в использовании йодистого серебра в качестве светочувствительного слоя. В остальном различия были принципиальны: в дагеротипии получалось сразу позитивное изображение, что упрощало процесс, но делало невозможным получения копий, а в талботипии изготовлялся негатив, с помощью которого можно было делать любое число отпечатков, реализовывалась двухступенчатая негативно-позитивная последовательность процесса – прототипа современной фотографии.

Дагеротипию и талботипию сменил мокрый коллодионный процесс, предложенный в 1851 году английским скульптором Ф. С. Арчером. Суть его в том, что на стеклянную пластинку непосредственно перед фотографированием наносился раствор коллодиона, содержащий йодид калия. Такая пластина могла быть использована только в мокром состоянии, что являлось существенным недостатком метода. Эксперименты с желатиновым бромидом привели к созданию сухих фотографических слоев, что способствовало получению фотоматериалов достаточно высокой чувствительности. При гелиографии выдержка составляла 6 часов, в дагеротипии – 30 мин, в талботипии – 3 мин, в мокром коллодионном процессе – 10 сек, а с применением бромосеребряной желатинной эмульсии выдержка уменьшилась до ¹/₁₀₀ секунды. Фотопленка была изобретена в 1887 году что привело к фундаментальному изменению фотопромышленности, сделало фотографию доступной массовому потребителю, как технически, так и экономически.

Генерал Ронгельский, 1895 г.

Через 100 лет, в 1969 г., Уиллард Боил и Джордж Смит сформулировали идею прибора с зарядовой связью (ПЗС) для регистрации изображения. Через 3 года, в 1972 г., компания Texas Instruments запатентовала устройство под названием «полностью электронное устройство для записи и последующего воспроизведения неподвижных изображений». В качестве чувствительного элемента использовалась ПЗС-матрица. Изображение хранилось на магнитной ленте и воспроизводилось посредством телевизора.

В 1973 г. компания Fairchild начала промышленное производство ПЗС-матриц. Черно-белое изображение, получаемое с их помощью, имело разрешение 100х100 пикселей.

В 1975 г. группа разработчиков компании Kodak под руководством Стива Сассона создала первую работающую фотокамеру с разрешением 100х100 пикселей (1 кадр записывался в течение 23 секунд). В 1981 г. компания Sony представила на рынок первую цифровую камеру Sony Mavica.

С этого момента начинается история современной цифровой фотографии. Mavica была полноценной зеркальной камерой со сменными объективами и имела разрешение 570х480 пикселей.

С 1981 г. начинается история современной цифровой фотографии.

Ровно через 10 лет, в 1991 г., Kodak совместно с Nikon выпустили профессиональный зеркальный цифровой фотоаппарат Kodak DSC100 на основе пленочного фотоаппарата Nikon F3. Фотоизображение записывалось на жесткий диск, который находился в отдельном блоке (он весил около 5 кг).

И только в 1994 г. на рынке появились первые флеш-карты формата Compact Flash и Smard Media с объемом памяти от 2 до 24 мегабайт.

Сегодня пленочную фотографию постепенно вытесняют из всех областей применения фотоизображения: производители пленочных камер сокращают количество выпускаемых моделей, а некоторые компании полностью прекратили выпуск пленочных камер, во много раз сократилось производство фотобумаги, пленки и химреактивов, – словом, наступает эра цифровой фотографии.

Kodak 420. Запись изображения на жесткий диск

Низкая стоимость цифровых фотокамер, возможность сразу увидеть результат, простота в эксплуатации и относительно хорошее качество изображения сделали цифровую фотографию общедоступной и незаменимой. Особенно бурно цифровая фотография развивается в последние 10 лет. Каждый год ведущие производители цифровой фототехники выставляют на рынок свои новинки, конкуренция вынуждает разработчиков совершенствовать и улучшать технические характеристики выпускаемой фототехники. Сегодня компактные фотоаппараты по качеству изображения почти не уступают профессиональным зеркальным камерам 5-летней давности. 14-мегапиксельный рубеж преодолен – даже камеры, встроенные в сотовые телефоны, достигли разрешения 5 мегапикселей. Производители программного обеспечения для обработки изображений и производители устройств для переноса и хранения изображения (карт памяти) также совершенствуют свою продукцию. Словом, цифровая фотография уверенно движется вперед, и начало XXI столетия ознаменовалось бурным ее ростом.

Основы цифровой фотографии

Canon EOS 40D. EF 24-105 мм f/4 L IS USM

Как уже отмечалось выше, бурному развитию цифровой фотографии способствовали три основных фактора: простота в управлении, быстрота и автономность получения результата и невысокая стоимость фототехники любительского класса. Немаловажно и то, что эксплуатационные расходы тоже невелики. У многих начинающих фотолюбителей такие расходы отсутствуют вообще: они довольствуются тем, что могут посмотреть и показать своим друзьям снятое изображение с помощью жидкокристаллического (ЖК) монитора, сотового телефона или «мыльницы». Других вполне устраивает, что они могут выставить свои снимки в Интернете для всеобщего обозрения.

Nikon Coolpix Р60, матрица 8 МП

Чаще всего таких фотолюбителей не интересует, как устроен цифровой фотоаппарат, каким образом на крохотной пластинке размером с ноготь мизинца умещаются сотни и тысячи фотоизображений. А тех, кому это интересно, мы приглашаем внимательно ознакомиться со следующей главой.

Sony DSLR-A700Z. DT 16 – 105 мм f/3.5–5.6 SAL – 16105

Sony DSC-W150, матрица 8,1 МП

Canon EOS 40D. EF 24-105 мм f/4 L IS USM

Электронно-оптические преобразователи

В цифровых фотоаппаратах для регистрации изображения используется электронно-оптический преобразователь (ЭОП) – прибор, преобразующий световой поток в электрический сигнал. Его основные характеристики определяются количеством точек по вертикали и горизонтали (разрешением), соотношением сигнал/шум и светочувствительностью. В качестве ЭОП используют ПЗС (прибор с зарядовой связью) и КМОП-матрицы (комплиментарные металло-оксидные полупроводники).

Nikon Coolpix S550, матрица 10 МП

ПЗС-матрица – светочувствительный сенсор – самое сложное и дорогое устройство в цифровом фотоаппарате. Аббревиатура ПЗС – свободный перевод английского сокращения CCD (Charge Coupled Device – электронно-оптические преобразователи). Этот прибор воспринимает отраженные от объекта съемки частицы света (фотоны) и преобразует их в электрический заряд, считывая который при помощи компьютера можно воссоздать изображение объекта. В цифровой камере ПЗС-матрица исполняет роль, аналогичную фотопленке в обычном фотоаппарате. Сравнивая фотопленку и ПЗС-матрицу – два абсолютно разных способа фиксации изображения, – отдать предпочтение одному из них пока сложно. И у ПЗС-матрицы, и у пленки есть свои достоинства и недостатки.

Светочувствительный сенсор

ЭОП – электронно-оптический преобразователь

Достоинства и недостатки

Известно, что фотоэмульсия пленки способна сохранять свою чувствительность к свету лишь короткое время в самом начале экспозиции и резко теряет ее при длительных выдержках. ПЗС-матрица, напротив, обладает чувствительностью, которая не меняется в течение всего времени экспозиции. Низкочувствительная фотопленка с разрешением 100 линий на миллиметр (лин/мм) эквивалентна матрице с размером пикселя 10 микрон. Современный уровень технологии позволяет выпускать матрицы с размером пикселя от 1,75 до 52 микрон. Фотопленки с высокой чувствительностью имеют увеличенное зерно (чем выше чувствительность, тем крупнее зерно), которое ведет к потере качества. У таких пленок разрешение не превышает 60–70 лин/мм.

Soni DSC-W150, матрица 8,1 МП

Canon Digital IXUS 80 IS, матрица 8 МП

Canon EOS 450В, матрица 12,2 МП

Формирование цифрового изображения также зависит от размера пикселя, который влияет на качество снимка. Чем больше размер пикселя, тем больше электронов он может накопить до полного насыщения. Например, 10-микронный пиксель способен накопить 50 000 электронов, пиксель размером 25 микронов – до 400 000 электронов. И хотя крупный размер пикселей и ухудшает разрешающую способность матрицы, он позволяет получить больший диапазон воспроизводимых яркостей, что эквивалентно большой фотографической широте. ПЗС-матрица способна реагировать на свет в диапазоне от рентгеновского до инфракрасного излучения. Однако у нее есть свои недостатки: в процессе приема и обработки сигнала в матрице возникают различного рода помехи – так называемые шумы. Одна из наиболее проблемных помех – шум темнового тока (Dark Current) – результат генерации пикселями термоэлектронов. Эти шумы возникают при длительной выдержке и нагревании матрицы. Темновым шум называется потому что он формируется из электронов, попавших в потенциальную яму при полном отсутствии светового потока.

Элемент ПЗС-матрицы

Тепловой шум (Thermal Hoise) вызван хаотичным движением носителей зарядов внутри ПЗС-матрицы, даже при отсутствии потенциала на электродах. Зачастую на фотографии хорошо заметны хаотично разбросанные по всему кадру пиксели постороннего цвета, называемые шумом фиксированного распределения (Fixed Pattern Hoise).

Nikon D80, матрица 10,2 МП

Производители ПЗС-матриц

Потребность в ПЗС-матрицах с каждым днем все увеличивается: все больше компаний нуждается в качественных сенсорах (производители сотовых телефонов, видеокамер, фототехники, охранных систем). ПЗС-матрицы широко применяются в аэрокосмической съемке и компьютерном производстве. Изготовление ПЗС-матриц – наукоемкое, технологически сложное производство. Оно под силу только тем компаниям, которые ведут постоянные научные разработки по усовершенствованию и модернизации ПЗС-матриц с учетом потребностей рынка. Мировые лидеры в производстве ПЗС-матриц: Texas Instruments, Thompson, Sony, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi, Kodak, Loral Fairchild и др.

Принцип действия

Световой поток, отраженный от объекта съемки, пройдя сквозь оптическую систему, попадает на регистрирующий элемент (ЭОП) и преобразовывается в электрический заряд. В формировании изображения принимает участие не весь поток фотонов: часть из них отражается от поверхности, другая поглощается на определенной глубине, третья проходит навылет Чем больше количество поглощенных фотонов, тем больше образуется электронов, тем лучше качество изображения. Отраженные от поверхности и прошедшие насквозь фотоны не принимают участие в формировании изображения.

Принцип формирования цифрового изображения

Поглощенные фотоны преобразуются в электроны накапливаются и хранятся в потенциальной яме; далее считываются значения заряда, именуемого фототоком. Для считывания фототоков пикселей используется устройство, называемое последовательный регистр сдвига, а полученная последовательность зарядов перемещается по ходу усилителя на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Вот в общих чертах процесс формирования изображения не ПЗС-матрицах.

Электронно-оптический преобразователь (ЭОП) предназначен для преобразования светового потока в электрические сигналы.

Nikon D60. AF-S Nikkor 17 – 35мм f/2.8 D IF ED

CMOS-матрица

Качество современного цифрового фотоаппарата определяется прежде всего техническим уровнем установленного в нем сенсора. Сенсор – это кремниевый полупроводник, предназначенный для регистрации фотонов света и трансформации их в электроны. Сенсоры являются важнейшей частью цифровой камеры. Сегодня на рынке цифровой техники лидирует технология CCD (ПЗС – прибор с зарядовой связью). CCD-сенсоры, более трудоемкие в производстве, технологически более сложные и, соответственно, дорогостоящие, тем не менее установлены в подавляющем большинстве цифровых фотокамер любительского и профессионального класса.

Nikon D80 матрица 10,2 МП

Светочувствительный сенсор (матрица)

Технология CMOS-сенсоров, напротив, менее совершенна, а требования к допускам при массовом производстве ниже, чем при производстве CCD. Однако CMOS-сенсоры обладали существенными недостатками: высоким уровнем шума, большим током утечки и остаточным зарядом, – из-за которых они долго не применялись в профессиональных камерах. Существовало четкое разделение: CCD-матрицы обеспечивали лучшие показатели динамического диапазона и разрешения, поэтому их использовали в цифровых камерах с высоким качеством изображения, CMOS-сенсоры устанавливались только в недорогих фотоаппаратах любительского класса. И все же невысокая стоимость этих сенсоров привлекала производителей, а CMOS-технология представлялась им перспективной, поэтому многомиллионные инвестиции в научные исследования по усовершенствованию CMOS-технологии привели к положительным результатам: шумы удалось уменьшить с помощью дополнительных устройств, и в результате появились цифровые камеры с профессиональным качеством изображения.

Одним из основных достоинств новых сенсоров стало пониженное энергопотребление, что, в свою очередь, существенно повлияло на качество изображения: поскольку устройство потребляло меньше энергии, CMOS-сенсоры не нагревались и, следовательно, имели более низкий уровень тепловых шумов. После таких усовершенствований стоимость CCD-матриц и CMOS-сенсоров почти сравнялась. На ценообразование CCD-матриц существенно влияет ее размер, а на CMOS-сенсоров – стоимость дополнительных устройств, повышающих качество изображения.

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) – комплиментарные металлооксидные полупроводники. На сегодняшний день CMOS-технология наиболее распространена в производстве полупроводниковых компонентов микроэлектроники.

Nikon D3, матрица 12,1 МП

Nikon Coolpix S600, матрица 10 МП

Nikon Coolpix Р5100, матрица 12 МП

Принцип действия

Процесс преобразования фотонов в электроны происходит по той же схеме, что и в CCD-матрицах, за исключением того, что заряд в напряжение преобразуется посредством компонентов, называемых обвязкой пикселя, непосредственно в элементах матрицы. Для синхронизации применяются адресные шины столбцов и строк матрицы. При этом из-за возможности считывания всей матрицы, столбца, строки или одного элемента отпадает необходимость в регистрах сдвига и управляющих микросхемах. Наличие усилителя на каждом участке пикселя CMOS-датчика позволяет избегать ненужных операций по передаче заряда, что значительно повышает скорость передачи сигнала на процессор обработки изображения. Кроме того, усилители на каждом участке пикселя способствуют снижению температуры матрицы, вызывающей шумы изображения, что особенно заметно при увеличении чувствительности (ISO) и съемке на длинных выдержках. Для производства CMOS-датчиков используют кремниевые кристаллы квадратной формы, в одном кристалле кремния могут разместиться и сам датчик, и электронные устройства обработки сигналов. В некоторые CMOS-датчики внедряют даже аналогово-цифровой преобразователь, существенно уменьшая объем устройства и снижая уровень энергопотребления. К тому же CMOS-датчики обладают уникальной особенностью, упрощающей работу устройств формирования изображения.

Световой поток, попавший на кремневые кристаллы, образует заряд – напряжение в каждом элементе матрицы – пиксели, считывание изображения происходит внутри CMOS-сенсора с помощью транзисторов и усилителя.

В большинстве современных профессиональных цифровых фотоаппаратов используются CMOS-матрицы.

Альтернативные матрицы

Super CCD

Компания Fuji Film в 2000 г представила новую матрицу – Super CCD. Вместо традиционного горизонтально-вертикального размещения прямоугольных пикселей их разместили под углом 45°, в виде пчелиных сот. Падающие на матрицу фотоны делятся на горизонтальные и вертикальные составляющие, а затем комбинируются. Благодаря этой технологии можно достичь большего разрешения по обеим осям. Кроме того, пиксели получаются не прямоугольные, как в обычных матрицах, а восьмиугольные, что существенно увеличивает динамический диапазон и резкость формируемого изображения. Такие матрицы устанавливаются на камерах серии FinPix.

Super CCD-матрица

Камера FinePix S2Рro с матрицей Super CCD

Матрица Foveon ХЗ

Разработчиком матрицы Х3 является компания Foveon. Размеры CMOS-сенсора Foveon Х3 – 20,7х13,8 мм, разрешение – 2752х1768 пикселей на каждый канал RGB, суммарное разрешение – 14,1 мегапикселей (МП), в RAW-формате – 13,9 МП. В отличие от обычных матриц технология Х3 построена на поглощении цветовых волн светочувствительными слоями, расположенными друг над другом. Таким образом, на каждый канал изображения приходится по одному чувствительному слою (всего их 3) – к синим, зеленым и красным областям спектра, именно в такой последовательности расположены светочувствительные слои.

Sigma SD14 матрица Foveon ХЗ

Sigma SD15 матрица Foveon ХЗ

Структура матрицы Foveon ХЗ

Технология Х3 трехслойной конструкции увеличила полезную площадь каждого фотодиода – в связи с этим отпала необходимость в интерполяции по соседним фотодиодам и, наконец, позволила отказаться от использования фильтра пространственной частоты (Low Pass Filter), микролинз и цветных фильтров. По утверждению разработчиков сенсора Foveon Х3, все это должно привести к повышению резкости изображения, увеличению чувствительности, снижению шумов и улучшению цветопередачи. Сенсоры Foveon Х3 установлены в цифровых фотокамерах Sigma SD14.

3-слойная матрица Foveon ХЗ

Альтернативные матрицы продолжают совершенствоваться, однако пока широко не применяются.

Пиксели

Разрешение цифрового фотоаппарата принято выражать в пикселях.

Pixel – сокращение от английского Picture's element (элемент изображения).

Чем меньше размер пикселя, тем больше их можно разместить на ограниченном размере матрицы, тем выше разрешение камеры. Произведение количества пикселей по горизонтали и вертикали, поделенное на миллион, дает величину разрешения в мегапикселях (мегапиксель (МП) – миллион пикселей). Например, если ПЗС-матрица, установленная в цифровой камере, имеет разрешение по горизонтали 4000 пикселей, а по вертикали – 3000 пикселей, то разрешение фотокамеры будет равно 12 МП. Эта величина – одна из важнейших характеристик цифрового фотоаппарата: чем выше разрешение матрицы, тем больше точек и информации об объекте съемки способен передать цифровой фотоаппарат, а значит, тем выше качество и тем больше формат изображения.

Pentax К 20 D. DA 50 – 135мм f/2.8 ED IF SDM

Принцип действия микролинзы

Основная деталь ПЗС-матрицы – приемник света – двухмерная матрица, состоящая из очень маленьких кремниевых детекторов света прямоугольной формы, также называется пикселем. Размер пикселя, как уже отмечалось выше, колеблется от 1,75 до 52 микрон. Каждый пиксель работает как приемник фотонов и хранилище электронов. Кремниевые пиксели реагируют на свет только в том случае, если его поток падает на них под прямым углом. Для обеспечения захвата большего потока света над каждым пикселем помещают выпуклую микролинзу. Именно таким образом корректируют угол падения света и увеличивают светочувствительность сенсора.

«Залипшие» пиксели (Stuck Pixels)

Так называют пиксели, сильно отличающиеся по цвету и яркости от окружающих точек. Они возникают независимо от длины выдержки, в отличие от шума фиксированного распределения, который образуется в потенциальной яме (Stuck Pixels), и крайне отрицательно влияют на качество изображения. В большинстве цифровых фотокамер для нейтрализации залипших пикселей используют специальное программное обеспечение – для анализа, поиска и занесения их координат в оперативную память аппарата. В дальнейшем эти пиксели исключаются из процесса формирования изображения, а вместо них подставляется усредненное значение заряда в соседних точках.

«Горячие» пиксели

«Горячие» пиксели (Hotpixels) – дефект, при котором выходящие электроны не соответствуют значению входящих фотонов, это происходит при температурных отклонениях или под воздействием соседних пикселей.

«Битые» пиксели

«Битые», или дефектные, пиксели (Defective Pixels) – производственный брак электронного устройства, не что иное, как вышедший из строя элемент светочувствительной матрицы. В CCD-матрицах 3-4-летней давности такого рода дефекты встречались довольно часто. По утверждению производителей, 2–4 битых пикселя при миллионе нормально работающих на качество изображения существенно не влияют и браком не считаются.

С этим утверждением трудно согласиться, 24 битых пикселя на 6-мегапиксельной матрице или 48 на 12-мегапиксельной на качество изображения влияют очень сильно. Я как потребитель не хотел бы, чтобы на матрице моей цифровой камеры были битые пиксели, даже несмотря на то, что в большинстве фотоаппаратов установлено программное обеспечение, маскирующее битые пиксели путем интерполяции. Если дефектные пиксели расположены близко друг к другу они образуют пятно, что считается браком, и такой аппарат подлежит замене.

«Битые» пиксели

При покупке фотоаппарата необходимо сделать два тест-кадра: один с закрытой крышкой, а другой – направленный на белую поверхность. А затем при максимальном увеличении изображения проверить наличие битых пикселей – белые или черные прямоугольники. При их обнаружении попросите продавца заменить фотоаппарат Они эту фотокамеру все равно продадут но этим покупателем будете не вы, иначе зачем вы читаете эту книгу.

Sony DSLR-A700Z. DT 16 – 105 мм f/3,5–5,6 SAL – 16105

Чем меньше размер пикселя, тем выше проработка деталей.