Устройство цифрового фотоаппарата
Цифровой фотоаппарат– оптико-механический прибор, с электронным способом регистрации, обработки и хранения цифровых изображений, с помощью которого производится фотосъемка (рис. 23).
Цифровой фотоаппарат состоит из следующих основных частей:
- корпус со светонепроницаемой камерой;
- объектив;
- диафрагма;
- фотографический затвор;
- кнопка спуска – инициирует съёмку кадра;
- видоискатель;
- фокусировочное устройство;
- фотоэкспонометр;
- встроенная фотовспышка;
- элементы питания камеры;
- матрица;
- дисплей;
- органы управления;
- оптический стабилизатор изображения;
- цифровой блок обработки и хранения данных;
- карта памяти.
Рис. 23. Устройство цифрового фотоаппарата
Конструкция современной цифровой камеры имеет много общего с пленочной камерой, поэтому в дальнейшем Мы будем рассматривать лишь те элементы, которые являются уникальными для цифровой фотокамеры или обладают определенной спецификой использования.
Фотографический затвор. Цифровые фотоаппараты могут обладать как механическим затвором так и электронным.
Электронные фотографические затворыпредставляют собой не отдельное устройство, а принцип дозирования экспозиции цифровой матрицей. Выдержка определяется временем между обнулением матрицы и моментом считывания с нее информации. Применение электронного затвора позволяет достичь более коротких выдержек без использования дорогостоящих высокоскоростных механических затворов. Есть модели фотоаппаратов, в которых используется комбинация механического и электронного затвора. В таких камерах механический затвор используется при длительных выдержках, а электронный – при коротких.
Видоискатель. В настоящее время многие цифровые камеры имеют оптический или электронный видоискатель (электронная система имитирующая видоискатель зеркальной фотокамеры) для быстрой компоновки кадра и жидкокристаллический дисплей, выполняющий несколько функций, для более точного построения композиции, и просмотра результата съемки. Недостатком жидкокристаллического дисплея является невозможность его использования при высокой освещенности, так как в таких условиях информация на дисплее становиться не различима, и как следствие невозможность осуществить кадрирование. На ЖК дисплей в зависимости от режима работы фотокамеры может выводиться также информация об экспозиционных параметрах и др. С помощью ЖК дисплея мы получаем доступ к меню управления настройками камеры.
Матрица (светочувствительная матрица) – специализированная аналоговая или цифро-аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов (фотосенсоров), выстроенных в ряды и строки (рис. 24). Матрица предназначена для преобразования, спроецированного на неё оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии АЦП непосредственно в составе матрицы). При проецировании изображения на матрицу, в каждом ее фотосенсоре накапливается электрический заряд, пропорциональный яркости приходящегося на него элемента изображения. Матрица является основным элементом цифровых фотоаппаратов и видеокамер. Применяется в планшетных и проекционных сканерах.
Рис. 24. Матрица цифрового фотоаппарата
Фотосенсор– это устройство, преобразующее световую энергию (фотоны) в энергию электрического заряда (электроны): чем ярче свет, тем больше заряд (рис. 25).
Рис. 25. Схема фрагмента матрицы цифровой фотокамеры: 1 – инфракрасный фильтр; 2 – микролинза; 3 – красный светофильтр пикселя (фрагмент фильтра Байера); 4 – фотосенсор; 5 –кремниевая подложка
С матрицы в фотоаппарат поступает аналоговая информация, которая образуется в результате измерения электрического заряда на фотосенсорах. Далее с помощью аналого-цифрового преобразователя она преобразуется в цифровую форму – двоичный код. Двоичное число – это последовательность 0 и 1, где каждая цифра называется битом информации. Число бит называют глубиной цвета. В цифровой фотографии, как правило двоичные цифры группируются в цепочки из восьми бит – байты. Байт несет информацию о 256 (десятичная система) возможных значений яркости фотосенсора, что соответствует 256 оттенкам серого.
Фотосенсоры фиксируют яркость элемента изображения, не неся ни какой информации о его цвете. Для получения информации о цвете – матрицу фотосенсоров сверху накрывают матрицей миниатюрных светофильтров, каждый из которых пропускает красный, зеленый или синий свет и задерживает остальные, упорядоченных в виде мозаичного узора Байера (рис. 26). При этом преобладает зеленый цвет, что объясняется физиологией восприятия цвета глазом человека наиболее чувствительному к зеленой части спектра. Благодаря наличию светофильтров каждый пиксель (от англ. pixel – pixture element – элемент, из множества, которых строится цифровое изображение) в конкретном месте сенсора способен регистрировать интенсивность только одного из трех основных цветов (рис. 25). Вследствие этого большее количество света, достигающего фотосенсора, теряется. Захватывается только половина приходящего зеленого света, так как каждый ряд содержит только половину зеленых пикселей, а вторую половину составляют синие или красные. Регистрируется 25% красного и синего света. Поскольку большая часть света не регистрируется, светочувствительность матрицы в целом снижается. Фотосенсоры обладают повышенной чувствительностью к инфракрасному диапазону спектра, поэтому кроме цветных фильтров, устанавливают и инфракрасный.
Рис. 26. Фрагмент типичный сенсор состоит из чувствительного массива и последовательности фильтров, упорядоченных в виде мозаичного узора Байера
Большинство матриц цифровых фотоаппаратов захватывают лишь часть изображения, а полное цветное изображение (восстановление цвета каждого пикселя) получается в результате математической обработки (интерполяции) микропроцессором фотокамеры.
Основные технологии матриц цифровых фотоаппаратов
ПЗС– прибор с зарядовой связью (от англ.CCD–charge-coupleddevice). Приборы с зарядовой связью первоначально создавались как устройства памяти, в которых можно было поместить заряд во входной регистр устройства. Однако способность элемента памяти устройства получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту сделала данное применение ПЗС устройств основным.
ПЗС-матрица– специализированная аналоговая интегральная микросхема, выполненная на основе поликремния, состоящая из светочувствительных элементов (фотодиодов). Фотодиод способен сохранять электрический заряд (эта способность называется емкостью), накапливаемый при ударении фотонов о поверхность сенсора. Перед экспонированием производится сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов устройства в исходное состояние. В процессе экспонирования, в каждом пикселе матрицы, накапливается электрический заряд. Чем интенсивнее световой поток, тем больше накапливается электронов – выше итоговый заряд данного пикселя. После того как отработал фотографический затвор происходит процесс считывания этих зарядов. После аналогово-цифрового преобразования информация обрабатывается микропроцессором камеры.
КМОП– комплементарная структура металл-оксид-полупроводник (от англ.CMOS–ComplementaryMetal-OxideSemiconductor). Структуры КМОП обладают чувствительностью к свету.КМОП-матрица– светочувствительная матрица, выполненная на основе КМОП-технологии. В КМОП матрице применяется технология APS (Active Pixel Sensors), которая добавляет к каждому пикселю транзисторный усилитель считывания, позволяя преобразовывать электрический заряд в напряжение и проводить ряд процедур обработки изображения непосредственно в фотосенсоре, реагируя на специфические условия освещенности в момент фотосъемки, что значительно увеличивает быстродействие фотоаппаратов построенных на их основе. Это обеспечило также произвольный доступ к фотодетекторам аналогично реализованному в микросхемах оперативной памяти. С помощью механизма произвольного доступа можно выполнять считывание выбранных групп пикселей – кадрированное считывание. Кадрирование позволяет уменьшить размер захваченного изображения и значительно увеличить скорость считывания по сравнению с ПЗС матрицами. Основные преимущества КМОП технологии – низкое энергопотребление, единство технологии производства с остальными, цифровыми элементами аппаратуры, возможность объединения на одном кристалле аналоговой и цифровой части, что приводит к значительному снижению их себестоимости.
Геометрический размер матрицы и его влияние на изображение.
Геометрический размер матрицы определяет размер изображения – формат кадра. В отличие от фиксированного формата кадра в пленочной фотографии 24×36 мм, размеры матриц современных цифровых фотоаппаратов значительно отличаются друг от друга. Размер матрицы измеряется по диагонали, в долях дюйма (4/3", 2/3", 1/1,8", 1/2,2"). Данная традиция измерения происходит от диаметра передающих телевизионных трубок и часто называется «дюймы видикона». В большинстве цифровых фотоаппаратов размер фотосенсора меньше по размеру кадра 35-мм пленки. Поэтому сравнивая матрицу с кадром фотопленки, мы видим, что при том же физическом фокусном расстоянии объектива, на датчик цифровой камеры попадает меньшая часть снимаемой сцены. Различие в размере изображения определяет фактическую область сцены, которая помещается на матрицу и следовательно отображается на фотографии. Данный параметр характеризуется эффективным углом зрения объектива фотокамеры. Для любого заданного фокусного расстояния, чем меньше размер изображения, тем меньше эффективный угол зрения объектива.
Так как большинство пользователей имеют опыт съемки на пленочные фотоаппараты, оказалось удобным сравнивать объективы пленочных и цифровых камер по углу поля зрения. Для этого было введено понятие эквивалентного фокусного расстояния.
Эквивалентное фокусное расстояние(ЭФР) – фокусное расстояние цифровой камеры, преобразованное в соответствующие значения для 35-миллиметровой пленочной камеры по углу поля зрения. Эквивалентные значения необходимы из-за того, что для цифровых камер размеры датчика и фокусные расстояния объектива не являются стандартизированными, и поэтому преобразование значений важно для сравнения их характеристик. Например, типичный объектив цифровой камеры с фокусным расстоянием 5,8–17,4 мм может дать такое же поле зрения, как и объектив с переменным фокусным расстоянием 38–114 мм для пленочной камеры.
Для сравнения объективов цифровых фотокамер с объективами камер формата 35 мм используется коэффициент преобразования фокусного расстояния – кропфактор.
Кропфактор (Kf)–отношение диагонали 35 мм кадра (43,2 мм) к диагонали матрицы. Для плёночных фотоаппаратов и полноформатных матриц цифровых фотоаппаратов равен 1. Рассмотрим соотношение между размерами наиболее распространённых типоразмеров матриц цифровых фотоаппаратов со стандартным плёночным кадром (рис. 27).
Рис. 27. Сравнение размеров матриц цифровых фотокамер с кадром 35-мм плёнки.
Геометрический размер матрицы определяет площадь поглощения света и оказывает значительное влияние на многие характеристики изображения шумы, цвета, светочувствительность, ГРИП и т.п.
Шум на цифровой фотографии– пиксели со случайными значениями цвета. Шум на цифровых фотографиях получается в результате недостаточной освещенности снимаемой сцены или выбора слишком большого значения светочувствительности ISO.
В отличие от фотоплёнки с заданным значением светочувствительности у матрицы цифрового фотоаппарата данный параметр выставляется в меню и фактически является коэффициентом усиления для сигнала, поступившего с матрицы. С ростом выставляемой чувствительности растут шумы. Следовательно, чем меньше геометрические размеры матрица, тем выше её шумы, при заданной чувствительности, и ниже реальная светочувствительность, ограниченная допустимым уровнем шума. Ориентировочное сравнение светочувствительности цифровых фотокамер и размеров матриц, при сопоставимом уровне шумов, приведена в таблице 2.
Таблица 2
|
Kf |
Размер матрицы |
Светочувствительность при сопоставимом уровне шумов |
|
7 и более |
1/2,7" и менее |
50 ISO |
|
5 |
1/1,8" |
100 ISO |
|
4 |
2/3" |
150 ISO |
|
1,6 |
≈ 22×15 мм (цифровые зеркальные камеры) |
400-600 ISO |
Влияние размера матрицы на глубину резко изображаемого пространства (ГРИП).
Законы геометрической оптики задают зависимость глубины резко изображаемого пространства от геометрических размеров матрицы. Для оценки влияния размера матрицы на глубину резко изображаемого пространства удобно пользоваться следующим соотношением:
ГРИП цифрового фотоаппарата = ГРИП пленочного 35 мм фотоаппарата с большим в Kf раз диафрагменным числом
Например:
ГРИП цифрового фотоаппарата (матрица 1/1,8", F2,8) = ГРИП пленочного 35 мм фотоаппарата с F=2,8×4,85 = 13,58
Чем меньше размер матрицы, тем больше ГРИП.
Максимальная ГРИП достигается при фокусировке объектива на гиперфокальное расстояние. Примеры значений гиперфокальных расстояний, для различных геометрических размеров матриц приведены в таблице 3.
Таблица 3
|
Диафрагма (F) |
2 |
4 |
8 |
|
Плёнка 35 мм, f=35мм |
22 м |
11 м |
5 м |
|
Матрица – 1/1,8", f=7мм (ЭФР=35мм) |
4,4 м |
2,2 м |
1,1 м |
|
Плёнка 35 мм, f=50мм |
45 м |
22 м |
11 м |
|
Матрица – 1/1,8", f=10мм (ЭФР=50мм) |
9,0 м |
4,5 м |
2,2 м |
|
Плёнка 35 мм, f=105мм |
200 м |
100 м |
50 м |
|
Матрица – 1/1,8", f=21мм (ЭФР=105мм) |
40 м |
20 м |
10 м |
Отношение сторон кадра
В аналоговой (пленочной) фотографии используется формат кадра 3:2 (36×24 мм).
В цифровой фотографии существуют несколько форматов кадра:
– формат кадра 4:3 (телевизионный формат кадра: PAL,SECAM,NTSC);
– формат кадра 16:9 (телевизионный формат кадра телевидения высокой четкости);
– формат кадра 3:2.
В ряде фотоаппаратов имеется настройка, позволяющая программно изменять формат кадра, что приводит к изменению разрешения снимка (мегапиксели), так как формат кадра определяется геометрическим размером матрицы и соотношением ее сторон.
Формат кадра необходимо учитывать при фотосъемке, в зависимости от предполагаемого дальнейшего использования фотографии.
Оптический стабилизатор изображения.
Основная причина смазанных изображений – перемещением камеры в момент съемки, особенно при использовании телеобъективов. Влияние данного эффекта зависит от размера изображения (размера матрицы цифровой камеры). Чем меньше геометрический размер матрицы, тем более выражен эффект смазывания изображения, вызванный перемещением фотокамеры, так как печать фотографий потребует в случае меньшего размера изображения большего увеличения.
В результате перемещения фотокамеры в процессе экспонирования, лучи света от объекта отклоняются относительно оптической оси объектива, приводя к смазыванию изображения. Обычно, установив выдержку затвора не более чем величина, обратно пропорциональная фокусному расстоянию объектива (например, 1/300 с для объектива с фокусным расстоянием 300 мм), можно предотвратить смазывание изображения, вызванное перемещением камеры.Однако в условиях недостаточного освещения или при использовании низкой светочувствительности фотоматериала возникает необходимость использования более длительной выдержки, что приводит к смазыванию изображений при съемке с рук. Для разрешения этой проблемы разработаны различные системы стабилизации изображения.
Стабилизатор изображения на сдвиге линз.Стабилизация достигается за счет перемещения группы линз объектива параллельно фокальной плоскости.
На рис. 28 схематически показана работа системы оптической стабилизации изображения на сдвиге линз (перемещение фотокамеры вниз). Центр изображения смещается вниз в фокальной плоскости. Перемещение камеры определяются двумя гироскопическими датчиками (по одному для горизонтальной и вертикальной плоскости). Гироскопические датчики определяют направление и скорость смещения камеры. В результате анализа степени перемещения микропроцессор управления системы стабилизации изображения выдает команду на перемещение группы линз вниз, чтобы вернуть центр изображения в центр фокальной плоскости. Группа линз приводится в движение с помощью электромагнитов. Так как сотрясения камеры происходят и в вертикальной и в горизонтальной плоскости, группа линз может смещаться вертикально и горизонтально в плоскости, перпендикулярной оптической оси, для компенсации смазывания изображения.
Стабилизатор изображения на сдвиге матрицы. Система стабилизации изображения работает аналогично рассмотренной раннее, но в качестве исполнительного механизма, вместо группы линз объектива, происходит перемещение специального блока стабилизации с установленной в нем матрицей. Матрица «плавает» в управляемом микропроцессором системы стабилизации изображения магнитном поле, компенсируя смещение фотокамеры (рис. 29).
Рис. 28. Схема работы стабилизатора изображения на сдвиге линз (А – точка объекта съемки, A' – изображение точки А)
Рис. 29. Схема работы стабилизатора изображения на сдвиге матрицы (А – точка объекта съемки, A' – изображение точки А)
Цифровой блок обработки и хранения данных.
Рис. 30. Структурная схема цифрового фотоаппарата
Микропроцессор цифровой фотокамеры– твердотельный элемент, в основные функции которого входят:
– управление интерфейсом фотокамеры (кнопки, индикаторы, ЖК дисплей и др.);
– расчет экспозиции;
– управление автоматической фокусировкой;
– управление фотовспышкой;
– обработка оцифрованных данных с матрицы цифрового фотоаппарата – интерполяция изображения;
– регулировка светочувствительности (ISO), баланса белого, контраста, резкости, уменьшение шума и др. параметров изображения;
– сжатие по определенному алгоритму файла изображения;
– сохранение на карте памяти.
– управление интерфейсом связи с внешним оборудованием (компьютер, фотопринтер, телевизор и др.).
Оперативная памятьнеобходима для временного хранения данных в процессе обработки их микропроцессором;
Карта памяти– твердотельный полупроводниковый элемент работу, которого можно представить как матрицу из горизонтальных и вертикальных линий, где в каждом пересечении храниться 1 бит информации. Для хранения цифровых данных в фотокамерах применяются съемные носители информации – карты памяти различных форматов. На сегодняшний день наиболее распространенными форматами карт памяти являются:CompactFlash(CF),SecureDigital(SD),xD,MemoryStick.
Настройки цифрового фотоаппарата.
Светочувствительность (ISO), разрешение изображения, качество изображения (формат файла и степень сжатия) в цифровой фотографии можно регулировать с помощью соответствующих настроек меню.
Выбор ISO. Светочувствительность фотопленки измеряется числами, определенными Международной организацией по стандартизации ISO. Несмотря на различия в технологиях принято оценивать чувствительность фотосенсоров по той же шкале.
В фотосенсоре матрицы цифровой камеры происходит преобразование фотонов в эквивалентный их количеству электрический заряд (электроны). Чем больше фотонов достигает фотосенсора, тем больше скапливается электронов и ярче становится пиксель на результирующем изображении. Минимальное число фотонов, необходимых для регистрации изображения, определяет чувствительность сенсора. Светочувствительность зависит от площади фотосенсора. Геометрический размер матрицы и её разрешение однозначно определяют максимальный размер фотосенсора. Светочувствительность, уровень шума и физический размер пикселя взаимосвязаны: чем больше физический размер пикселя, тем меньше уровень шума, при заданной светочувствительности.
К матрицам цифровых фотоаппаратов применяется термин «эквивалентная чувствительность», так как значение чувствительности матрицы можно изменять в широком диапазоне (аналоговым усилением сигнала и последующей цифровой обработкой). Реальная светочувствительность матрицы, соответствует минимальному возможному значению чувствительности для данной фотокамеры. Выбор чувствительности фотосенсора можно осуществлять в автоматическом или ручном режимах. Также как в фотопленке при увеличении светочувствительности увеличивается зернистость изображения, в сенсорах увеличивается вероятность появления помех в виде цифровых шумов. Поэтому приходится искать компромисс между высокой светочувствительностью и качеством изображения.
Выбор разрешения изображения. Разрешение изображения снятого цифровой камерой зависит от различных факторов: качества объектива и его разрешающей способности, числа пикселей в матрице и алгоритма обработки цифровых данных в фотокамере.
Цифровое изображение состоит из миллионов пикселей. Разрешение изображения – количество пикселей на фотографии, захватываемых матрицей, наряду с качеством объектива определяет четкость получаемого снимка. Разрешение определяется количеством пикселей, которые может захватить сенсор (ширина × высота). Например, для 5-мегапиксельной камеры возможны следующие варианты настройки разрешения: 2560×1920, 1600×1200, 1280×960 и 640×480. Вы можете выбрать, какое разрешение Вам требуется исходя из задач фотосъемки: фотография на бумаге, иллюстрации, размещение на WEB сайте, экранное использование (слайд шоу на мониторе компьютера или экране телевизора). Для большинства задач, решаемых фотографом, вполне достаточно, если камера оснащена матрицей в 6 млн. пикселей (качественная печать до формата А4, и любое экранное использование отснятого материала). Если вы не готовите материал для конкретного использования, вам необходимо использовать максимальное разрешение, так как после съемки увеличить его без потерь в качестве и детализации изображения уже не возможно.
Снимок, состоящий из относительно малого количества пикселей выглядеть как мозаика (рис. 31). С увеличением числа пикселей изображение становится более четким. Повышение четкости изображения приводит к увеличению размера файла.
Рис. 31. Влияние разрешения изображения на четкость снимка
Выбор качества изображения (формат файла и степень сжатия
В настоящее время в цифровых фотоаппаратах используют три формата файлов: JPEG, TIFF и RAW.
Кроме выбора разрешения камеры предлагают возможность изменить степень сжатия файлов. Это означает, что с помощью разных математических методов можно разместить данные в меньшем объеме. При открытии такого файла он восстанавливает свой исходный размер. Сжатие бывает двух видов: без потери информации (форматы TIFF, RAW) и с потерей информации (например, в JPEG-формате). Понимание принципов, по которым происходит сжатие, даст возможность лучше разобраться в форматах изображений.
Сжатие без потери информации.Изображения, как и другие цифровые объекты, сохраняются в виде двоичного кода, значение которого может распознавать компьютер или другое техническое средство. Строка длиной 64 бит, может выглядеть следующим образом.
0000000000000011100000000000000001111110000000000000000000000001
Для хранения 64 двоичных символов компьютеру требуется 8 байт. При использовании схемы сжатия без потери качества (например, в TIFF-файлах) вместо записи значения каждого бита запоминается частота повторения определенного значения. В результате, вместо хранения 64 бит будет записан код в виде «14 нулей, 3 единицы, 16 нулей, 6 единиц и т.д.». В процессе работы алгоритма сжатия выделяются повторяющиеся строки цифр, и запоминается их местоположение в файле. При повторном появлении обнаруженной ранее последовательности цифр вместо нее будет записан краткий код, указывающий ее первоначальное местоположение. Чем больше размер файла, тем меньше реальных цифр записывается в процессе сжатия. Этот способ кодирования называется методом Хаффмана. Он состоит в построении таблицы частоты нахождения строк в файле и определении кодов кратчайшей длины для тех строк цифр, которые встречаются наиболее часто. При таком сжатии (даже если из файла удалены все избыточные цифры) алгоритм декодирования точно восстановит исходное изображение.
Сжатие с потерей информации.
Графический формат JPEG(Joint Photographic Experts Group – Объединенная группа экспертов в области фотографии) предназначен для хранения полноцветных фотореалистичных изображений. Основанный на психофизиологических особенностях человеческого зрения, этот формат использует алгоритмы сжатия с потерями и обеспечивает значительное уменьшение объема графического файла. JPEG-файлы являются наиболее эффективными с точки зрения использования объема памяти для их хранения.
В формате JPEG используется три разных алгоритма: дискретное косинус-преобразование, процедура квантования и цифровой метод сжатия, в частности, метод Хаффмана.
Алгоритм JPEG делит изображение на ячейки размером 8×8 пикселей и разделяет его на специальные цветовые области, т.е. отделяет уровни яркости от хроматических (цветовых) значений. Это обеспечивает различную степень сжатия для разных типов данных. Поскольку яркость наиболее важна для восприятия, для цветовых значений можно применять более высокую степень сжатия. Человеческий глаз больше фиксирует незначительные изменения в яркости, чем эквивалентные им изменения цвета.
Затем алгоритм выполняет дискретное косинус-преобразование информации. Эта математическая операция анализирует блоки размером 64 пикселя и ищет подобные. Избыточными считаются те пиксели, которые имеют те же значения, что и их соседи. Такие пиксели можно отбросить.
После этого запускается процедура квантования, которая заменяет белым цветом те группы пикселей, цвет которых похож на белый. Затем оттенки серого и цветовая информация сжимаются с помощью записи разности тонов соседних пикселей. Результирующая строка цифр кодируется с помощью комбинации математических операций. Таким образом, блок 8×8, содержащий 24 бит информации на каждый пиксель (192 байт), можно сжать до 10–13 или даже менее байт. Алгоритм JPEG позволяет использовать различные коэффициенты сжатия, и при высоких коэффициентах отбрасывается большее количество информации. JPEG допускает непрерывный диапазон уровней качества (коэффициентов сжатия). Цифровые камеры обычно располагают дискретным набором параметров качества например: стандартное, хорошее, лучшее или наилучшее. Названия параметров качества не стандартизированы, поэтому нам не известно, какому уровню сжатия JPEG соответствует каждая из настроек конкретной камеры. На рисунке 32 крупным планом показано два изображения, сохраненных в JPEG-файлах: одно изображение с незначительным, а другое – с очень высоким сжатием.
Рис. 32. Незначительное сжатие (слева) практически не ухудшает качество изображения, высокий уровень сжатия (справа) приводит к появлению значительных дефектов изображения
Изображение высокого качества в формате JPEG практически не отличается от исходного.
В завершение полученные коды подвергаются цифровому сжатию по методу Хаффмана.
Поскольку алгоритм JPEG отбрасывает часть информации, его называют алгоритмом сжатия с потерей информации. Это означает, что после восстановления (декодирования) изображение не будет совпадать с исходным.
При декодировании и повторном сжатии и сохранении JPEG-файла каждый раз теряется большое количество информации. Поэтому в процессе редактирования на компьютере не следует сохранять файл в JPEG-формате, лучше использовать формат TIFF.
Графический формат TIFF(Tagged Image File Format) стал стандартным форматом для обмена файлами изображений, в том числе и в цифровой фотографии. Недостатком данного формата является большой объем получаемого файла, что значительно ограничивает скорость съемки (временя сохранения файла на носитель информации).
Формат RAWиспользует алгоритмы сжатия без потери информации и применяется для хранения изображений высшего разрешения и качества в цифровых камерах. Формат RAW не является стандартизированным, и алгоритмы его работы зависят от производителя фотокамеры и используемой в фотоаппарате матрицы. Формат RAW можно рассматривать как «цифровой негатив», который содержит полную информацию об изображении, которая сохраняется в 12 или 14 разрядном формате на канал цвета и конвертируется с помощью RAW-совместимого программного обеспечения для обработки изображений. Файл в формате RAW обеспечивает доступ к той информации, с которой работает камера, создавая 24-разрядные JPEG-файлы. Из файла RAW с помощью специализированного программного обеспечения можно получить откорректированное и настроенное изображение требуемого формата, например JPEG или TIFF. Максимальный динамический диапазон цифровой фотокамеры доступен только при съемке в RAW, при конвертации в JPEG динамический диапазон ограничивается до 7,5–8,5EV (в зависимости от настроек контраста изображения в камере).
EXIF(ExchangeableImageFileFormat). Формат графических файлов, разработанный для обмена данными изображений между аппаратными средствами и программным обеспечением. Этот формат является компонентом формата JPEG и используется в большинстве цифровых камер. Он включает такую информацию, как дата и время съемки, фокусное расстояние объектива, экспозиционные параметры, настройки камеры, разрешение, степень сжатия и другие данные.
Размер файла– занимаемое им пространство на устройстве хранения – карте памяти (измеряется в мегабайтах). Размер файла зависит от размера изображения, формата файла и степени его сжатия.
Баланс белого. Представим себе абсолютно чёрное тело, которое не отражает световые лучи. При нагревании тело начнёт светиться еле заметным красным цветом. Если замерить в этот момент его температуру, то она будет примерно равна 1200 К.Градус Кельвина (К)единица измерения на основе шкалы абсолютных температур. Используется для описания цвета источников освещения непрерывного спектра. Продолжая нагревать абсолютно черное тело мы увидим, что при 2000К цвет станет оранжевым, при 3000К – жёлтым, при 5500К цвет – белым, при 6000К голубоватым и далее вплоть до 18000К – фиолетовой границе спектра (рис. 45). Температура, при которой абсолютно черное тело излучает свет такого же спектрального состава, как рассматриваемый свет, называется цветовой температурой. Она указывает только на спектральное распределение энергии излучения, а не на температуру источника света. Каждому цвету соответствует его цветовая температура.
Любая цветная фотоплёнка рассчитана только на одну оптимальную цветовую температуру освещения, только при ней она может достоверно передавать все цвета. При другом освещении эта плёнка даст смещение цветов в синюю или красную часть спектра.
Освещенность может меняться по цвету в зависимости от условий съемки (рис. 33), что приводит к нарушению цветового баланса снимка. Поэтому на большинстве цифровых камер существует соответствующая регулировка меню. Как правило, предлагается автоматический режим, при котором камера сама определяет наилучший баланс белого для данных условий съемки, а так же ряд фиксированных настроек: «дневной свет», «лампа накаливания», «люминесцентная лампа», «фотовспышка» и т.д. Данные режимы выбираются исходя из условий освещения. На некоторых камерах существует возможность ручной установки баланса белого.
Рис. 33. Цветовая температура источников освещения
Гистограмма– тип диаграммы, в цифровой фотографии, отображающий распределение яркостей в кадре и предназначенный для оценки экспозиционных параметров, независимо от настроек монитора и других искажающих факторов.
Гистограмма состоит из ряда вертикальных столбцов, характеризующих удельный вес уровней яркости от черного (левый край) до белого (правый край). Высота столбца пропорциональна количеству пикселей данной яркости в изображении.
График гистограммы, представляет собой кривую с одним или несколькими максимумами. Гистограмма образцового кадра со средней яркостью и контрастностью имеет форму холма, тянущегося вдоль всей горизонтальной линии, с вершиной в районе средне серых значений. Чем левее располагается вершина кривой, тем темнее кадр, и наоборот. Гистограмма позволяет определить необходимость использования экспокоррекции. Если максимум гистограммы упирается в левую и (или) правую границу, значит, при съемке была потеряна часть графической информации, восстановить которую невозможно даже используя современные методы компьютерные обработки.
Гистограмма сбалансированного снимка. Фото с низкой контрастностью (нет ни слишком темных, ни слишком светлых деталей изображения), гистограмма имеет типичную форму холма с покатыми склонами (рис. 34). Вершина холма лежит в центре, в районе средних уровней серого. Небольшой пик у правого конца гистограммы говорит о том, что в кадре присутствует много светлых пикселей – небо. Однако этот пик находится на достаточном расстоянии от правого края, следовательно, переэкспонированных участков здесь нет, экспокоррекция не требуется. Темные участки изображения представлены в левой части гистограммы.
Рис. 34. Гистограмма сбалансированного снимка
Гистограмма темного снимка. Выразительные снимки редко имеют образцовую сбалансированную гистограмму. Здесь вы видите темный кадр, состоящий главным образом из темных пикселей. Относительно большие участки изображения недодержаны (а), а светлые градации (b) на гистограмме отсутствуют (рис. 35). Для предотвращения потери информации в темных участках изображения можно немного скорректировать экспозицию в сторону увеличения.
Рис. 35. Гистограмма темного снимка
Гистограмма светлого снимка. Орхидея сфотографирована в помещении на фоне окна (рис. 36). Передать такой огромный контраст современные фотоматериалы не могут в силу ограниченности их динамического диапазона. Экспозиция определялась по цветку – задний план при этом был сильно переэкспонирован (а). Чтобы предупредить о передержке, светлые фрагменты изображения мигают, меняя цвет от черного к белому (b). Практически плоская гистограмма говорит о том, что на цветок приходится сравнительно малая часть от общего числа пикселей.
Рис. 36. Гистограмма светлого снимка
Цифровая технология фотографирования
В цифровых фотоаппаратах процесс получения изображения намного более сложен, но, как и в пленочной технологии, принципы и основы фотографии остаются неизменными. В цифровых фотоаппаратах также используется фотографический объектив, но вместо проецирования изображения на пленку, свет попадает на фотосенсоры матрицы цифрового фотоаппарата. Вычислительный блок фотоаппарата анализирует полученную информацию и определяет необходимые значения экспозиционных параметров (светочувствительность, выдержку, диафрагму), контролирует фокусировку, определяет баланс белого, необходимость применения фотовспышки и т.д.
Затем матрица фиксирует изображение и передает его на блок АЦП (аналого-цифровой преобразователь), который преобразует аналоговые электрические сигналы пропорциональные яркости каждой точки изображения в цифровой код. Микропроцессор фотокамеры производит обработку полученных данных по специальным алгоритмам (зависящим от конкретной модели фотоаппарата) и сохраняет их в файл, который можно увидеть на дисплее камеры и оперативно оценить результат съемки (визуально с контролем гистограммы). Файл изображения записывается на встроенный или внешний электронный носитель информации. Далее изображение может быть выведено на печать или телевизор, а также перенесено на компьютер для дальнейшей обработки. Показанный на рисунках 37, 38 процесс описывает лишь основы получения цифрового изображения.
Рис. 37. Цифровая технология фотографирования
Рис. 38. Цифровой фотопроцесс
Цветовые модели.
У цвета есть три основные характеристики: цветовой тон,яркостьинасыщенность.
Цветовой тон– позволяет идентифицировать цвета как красный, желтый, зеленый, синий или промежуточный между двумя соседними парами этих цветов. Разница в цветовых тонах зависит от длины волны света.
Яркость– характеризует относительную светлость цвета. Она определяется степенью отражения поверхности, на которую падает свет. Чем выше яркость, тем светлее цвет.
Насыщенность– характеризует отличия данного цвета от бесцветного (серого цвета) с той же степенью яркости. Чем ниже насыщенность, тем более «серым» выглядит цвет. При нулевой насыщенности цвет становится серым.
Хроматические цвета и ахроматические цвета:
К ахроматическимцветам относятся: белый, серый и черный. У них нет характеристик цветовой тон и насыщенность.
К хроматическимцветам относятся все которые мы воспринимаем, как имеющее «цвет» (отличное от белого, серого или черного).
Для описания излучаемого и отраженного цвета используются различные математические модели. Их называют цветовыми моделями. Цветовые модели являются средствами количественного описания цвета и различия его оттенков. В каждой модели определенный диапазон цветов представляют в виде трехмерного пространства. В этом пространстве каждый цвет существует в виде набора числовых координат, где каждому цвету можно поставить в соответствие строго определенную точку. Этот метод дает возможность обмена цветовой информацией между цифровой техникой и программным обеспечением.
Существует множество цветовых моделей, но все они принадлежат к одному из трех типов:
- аддитивные(основанные на сложении цветов);
- субтрактивные(основанные на вычитании цветов);
- психологические(основанные на восприятии человеком).
При регистрации, обработке и подготовке к печати изображений используются три цветовые модели RGB,CMYKиCIE Lab.
Цветовая модель RGB (R – от англ. red – красный, G – от англ. green – зеленый, B – от англ. blue – синий) – аддитивная цветовая модель описывает излучаемые цвета и образована на основе трех первичных цветов: красном, зеленом и синем (рис. 39), другие цвета образуются смешиванием трех первичных цветов в разных пропорциях (т.е. с разными яркостями). При попарном смешивании первичных цветов образуются вторичные цвета: голубой, пурпурный и желтый. Первичные и вторичные цвета относятся к основным цветам. Базовыми цветами называют цвета, с помощью которых можно получить практически весь спектр видимого света. Модель RGB используется в устройствах, работающих со световыми потоками: фото- и видеокамеры, сканеры, мониторы компьютеров, телевизоры и др. Она является аппаратно-зависимой, так как значения основных цветов, а также точка белого, определяются технологическими особенностями конкретного оборудования. Например, на разных мониторах одно и то же изображение выглядит неодинаково.
Рис. 39. Аддитивная цветовая модель RGB
Математически цветовую модель RGB можно представлять в виде куба (рис. 40). Если по оси Х откладывать красную составляющую, по оси Y – зеленую, а по оси Z – синюю, то каждому цвету можно поставить в однозначное соответствие точку внутри куба.
Рис. 40. Представления RGB-модели в виде куба
Цвет может быть представлен в цветовом пространстве с помощью вектора, описываемого уравнением: аА=rR+gG+bВ. При этом направление вектора характеризует цветность, а его модуль – яркость. На диагонали (ахроматической оси), соединяющей точки с координатами (R,G,В)=(0,0,0) – черный цвет и (R,G,В)=(255,255,255) – белый цвет, расположены различные градации серого, для которых значения красной, зеленой и синей составляющих одинаковы.
Основной недостаток RGB-модели заключается в ее аппаратной зависимой. Это обусловлено тем, что на практике RGB-модель характеризует цветовое пространство конкретного устройства, например фотоаппарата или монитора. Тем не менее, любое RGB-пространство можно сделать стандартным, однозначно определив его. Наиболее распространенными стандартными реализациями модели RGB являются (рис. 45):
sRGB(standard RGB) – стандартное цветовое пространство для Интернета соответствует цветовому пространству типичного монитора VGA низшего класса. Сегодня это пространство является альтернативой системам управления цветом, использующим ICC-профили. sRGB-модель используется для создания web-изображений или печати на недорогих струйных принтерах, из-за недостаточно широкого диапазона значений в зеленой и голубой частях спектра она не подходит для фотопечати профессионального качества;
Adobe RGB(стандартизировано Adobe Systems в 1998) – основано на одном из стандартов телевидения высокой четкости (HDTV). Модель имеет больший цветовой охват, по сравнению сsRGBи используется для регистрации изображений, удовлетворяющих требованиям высококачественной фотопечати.
Цветовая модель CMYK (C – от англ. cyan – голубой, M – от англ. magenta – пурпурный, Y – от англ. yellow – желтый, K – черный) – субтрактивная цветовая модель, которая описывает реальные красители, используемые в полиграфическом производстве (офсетная печать, цифровая фотопечать, краски, пластик, ткань и др.). В данной модели основными цветами являются цвета образующиеся вычитанием из белого основных цветов модели RGB (рис. 41). Три первичных цвета RGB при смешивании образуют белый цвет, а три первичных цвета CMY при смешивании образуют черный цвет (определение основано на поглощающих свойствах чернил).
Рис. 41. Получение модели CMY из RGB
Цвета, использующие белый свет (белая бумага), вычитая из него определенные участки спектра называются субтрактивными: когда краситель или пигмент поглощает красный и отражает зеленый и синий свет, мы видим голубой. Когда он поглощает зеленый и отражает синий и красный, мы видим пурпурный. Когда он поглощает синий и отражает красный и зеленый, мы видим желтый.
Голубой, пурпурный и желтый являются тремя первичными цветами (рис. 42), используемыми в субтрактивном смешении. Теоретически, при смешивании 100% каждого из трех первичных субтрактивных цветов: голубого, пурпурного и желтого должен получаться черный цвет. Однако примеси в чернилах не позволяют получить чистый черный цвет. По этой причине в полиграфии к этим трем цветам добавляют черный. В результате получается система их четырех цветов. Данная модель также является аппаратно-зависимой.
Диапазон представления цветов в CMYK уже, чем в RGB (рис. 45), поэтому при преобразовании данных из RGB в CMYK происходит потеря цветовой информации. Многие цвета, которые видны на мониторе, не могут быть воспроизведены красками на фотоотпечатке и наоборот.
Рис. 42. Субтрактивная цветовая модель CMYK
Цветовые модели CIE(от фр. Commission Internationale de l’Eclairage –Международная комиссия по освещению) основаны на восприятии цвета человеком и используются для того, чтобы определять так называемые аппаратно независимые цвета, которые могут правильно воспроизводиться устройствами любого типа: фотоаппаратами, сканерами, мониторами, принтерами и др. Эти модели получили широкое распространение благодаря использованию их на компьютерах и широкому диапазону описываемых цветов. Наиболее распространены следующие модели: CIE XYZ и CIE Lab.
Цветовая модель CIE XYZ(базовая цветовая модель) разработана в 1931 году. Эта система часто представляется в виде двухмерного графика (рис. 43). Красные компоненты цвета вытянуты вдоль оси Х координатной плоскости (горизонтально), а зеленые компоненты цвета вытянуты вдоль оси Y (вертикально). При таком способе представления каждому цвету соответствует определенная точка на координатной плоскости. Спектральная чистота цветов уменьшается по мере того, как вы перемещаетесь по координатной плоскости влево. В этой модели не учитывается яркость.
Рис. 43. Диаграмма цветности CIE XYZ
Цветовая модель CIE L*a*b*представляет собой усовершенствованную цветовую модель CIE XYZ.CIE L*a*b* (L* – от англ.luminance,light – светлота, a* – величина красной/зеленой составляющей, b* – величина желтой/синей составляющей, * означают разработку системы специалистами CIE) – основана на теории, что цвет не может быть одновременно зеленым и красным или желтым и синим. Следовательно, для описания атрибутов «красный/зеленый» и «желтый/синий» можно воспользоваться одними и теми же осями координат. В этой трехмерной модели воспринимаемые человеком цветовые различия зависят от расстояний, с которых производятся колометрические измерения. Осьапроходит от зеленого (-а) до красного (+а), а осьb– от синего (-b) до желтого (+b). Яркость (L) у трехмерной модели возрастает в направлении снизу вверх (рис. 44). Цвета представляются числовыми значениями. По сравнению с цветовой моделью XYZ цвета CIE Lab более совместимы с цветами, воспринимаемыми человеческим глазом. В модели CIE Lab цветовая яркость (L), цветовой тон и насыщенность (a, b) могут рассматриваться по отдельности. В результате общий цвет изображения можно изменять без изменения самого изображения или его яркости. CIE L*a*b* это универсальная аппаратно-независимая цветовая модель, применяется для математических расчетов, производимых компьютерами при работе с цветом и используется при преобразовании между другими аппаратно зависимыми моделями. Например, при преобразовании из RGB в CMYK или из CMYK в RGB.
Данные RGB и CMYK являются аппаратными данными, не несущими информации о цветовых ощущениях без привязки к конкретному аппарату. При преобразовании мы определяем для значений модели RGB илиCMYK, реализованной в данном конкретном аппарате, цветовые координаты в цветовой координатной системе CIE L*a*b*. Преобразование цвета из одного цветового пространства в другое влечет за собой потерю цветовой информации. Необходимо четко различать цветовые модели и цветовые координатные системы: в первом случае речь идет о способе воспроизведения цветовых ощущений, а во втором – об измерении этих ощущений.
Рис. 44. Диаграмма цветности CIE Lab: L – яркость; a – от зеленого до красного; b – от синего до желтого
Цветовой охват (от англ. color gamut) – это диапазон цветов, который может различать человек или воспроизводить устройство независимо от механизма получения цвета (излучения или отражения). Человеческий глаз, цветная фотопленка, цифровые фотоаппараты, сканеры, компьютерные мониторы, цветные принтеры имеют разный цветовой охват (рис. 45). Ограниченность цветового охвата объясняется тем, что с помощью аддитивного (RGB) или субтрактивного (CMYK) синтеза принципиально невозможно получить все цвета видимого спектра. В частности, некоторые цвета, такие как чистый голубой или чистый желтый, не могут быть точно воспроизведены на экране монитора.
Отображение цветового охвата– это технология коррекции цвета в различных устройствах, при которой изображение, видимое человеком, будет максимально близко к изображению, воспроизводимому на устройствах с другими диапазонами воспроизведения цвета. Например, цветовой охват цветного принтера (CMYK), меньше, чем диапазон цветов, воспроизводимых на мониторе (RGB). Видимый на экране живой зеленый цвет при печати становится менее ярким и насыщенным. Это происходит из-за того, что изображение на экране содержит цвета, которые невозможно воспроизвести в пространстве CMYK (рис. 45).
Рис. 45. Цветовой охват разных устройств (диаграмма цветности CIE)
Задача достоверной передачи цвета сводится к построению профилей устройств. Для профилей устройств был разработан универсальный формат, получивший название ICC. Каждое устройство, задействованное в полиграфическом процессе (фотоаппарат, сканер, монитор, принтер и т.д.) имеет свою таблицу цветовых описаний – ICC-профиль. При профилировании устройств их уникальные цветовые диапазоны сравниваются со стандартным эталонным пространством. Эти профили могут быть интегрированы в файл изображения.
Типы профилей:
Входной(или исходный). Описывает цветовое пространство устройства регистрации изображения (цифровой аппарат, сканер);
Профиль отображения. Описывает цветовое пространство конкретного монитора.
Выходной(или целевой). Описывает цветовое пространство воспроизводящего устройства (принтер, плоттер, печатный станок и др.)
Преобразование цветовых охватов выполняет система управления цветомCMS (от англ.colormanagementsystems). Ее основная функция – следить за наилучшей передачей цветов всеми устройствами, используемыми в технологической цепочке. CMS стремится создать аппаратно независимые цвета и использовать для преобразования базовую цветовую модель CIE XYZ.