Цифровая фотография в теории и на практике

Автор: Дмитрий Зотов
Опубликовано: 07.08.2005
Источник: Мир ПК, #07/2005

Часть 2. Как снимает фотокамера

Рис. 1. Хроматические аберрации. Видимый цветной ареол между контрастными переходами характеризует высокий уровень подобных искажений

Любая фотокамера имеет объектив, от свойств которого во многом зависит качество получаемых фотографий. Объективы современных фотоаппаратов состоят из множества линз. Последние имеют определенные уровни аберраций (искажений). Чтобы их минимизировать, формируется оптическая система, в которой линзы подобраны таким образом, что результирующие искажения оказываются много меньше, чем в какой-либо отдельной линзе. Искажения можно разделить на хроматические и геометрические (рис. 1, 2).

Рис. 2. Геометрические аберрации, приводящие к «заваливанию» дома

Уровнем аберраций, как и количеством света, проходящего через линзы объектива, можно управлять. Это выполняется заданием диафрагмы. По мере закрывания диафрагмы (уменьшения отверстия), падает количество света, проходящее через объектив, и снижаются искажения. По мере открывания (увеличения отверстия) — наоборот. Степень диафрагмирования измеряют безразмерным числом диафрагмы, равным отношению фокусного расстояния к диаметру отверстия. Диафрагму маркируют по степеням корня из двух (так называемые «деления» или «стопы») — 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16 и т.д. Количество света, пропускаемого диафрагмой, обратно пропорционально квадрату диафрагменного числа. Таким образом, каждое последующее деление еще более закрывает диафрагму и уменьшает количество пропускаемого света вдвое. Значение максимально открытой диафрагмы называется светосилой. Например, если фотоаппарат имеет диапазон диафрагмирования 2,8—8, то светосила будет равна 2,8.

Светочувствительный сенсор, ФР и ЭФР

Проходящий через объектив свет далее попадает на светочувствительный сенсор, от размера которого зависит очень многое.

Рис. 3. Байеровская схема расположения светофильтров

В большинстве современных цифровых фотоаппаратов каждый пиксел светочувствительного сенсора может воспринимать яркостный сигнал только по одному из трех цветовых каналов (красному, зеленому или синему) — в зависимости от цвета фильтра, находящегося над данным элементом. Светофильтры располагаются по так называемой байеровской схеме, структура которой построена с учетом особенностей зрительного восприятия человека (рис. 3).

Таким образом, светочувствительный сенсор камеры фиксирует монохромное изображение: каждый его пиксел имеет лишь одну координату (яркости). Чтобы преобразовать монохромное изображение в цветное, используется операция, называемая demosaic — подробнее об этом мы поговорим далее.

Современные сенсоры цифровых фотокамер измеряют в дюймах (для зеркальных фотоаппаратов размер иногда обозначают в мм). В связи с технологическими особенностями изготовления матриц цифровых фотокамер для уменьшения себестоимости, а также физических размеров самих фотокамер матрицы выпускают более маленькими. Можно встретить цифровые фотоаппараты с матрицами 1/2,5; 1/2,7; 1/1,8; 2/3; 4/3 дюйма «стандарта» 35 мм. Матрицами размером 2/3 дюйма и более оснащают полупрофессиональные и профессиональные модели, а 1/2,5; 1/2,7; 1/1,8 — аппараты начального и любительского уровня. В любом случае геометрический размер матрицы (или размер светочувствительного сенсора) оказывает большое влияние на процесс съемки, о чем мы будем говорить далее.

Как известно, угол зрения зависит от отношения фокусного расстояния (ФР) к диагонали матрицы. Чем больше ФР, тем меньше угол зрения и тем ближе можно снять удаленные от объектива объекты. Соответственно чем меньше ФР, тем больше угол зрения и тем большее пространство можно охватить вблизи от объектива фотокамеры. Стандартные объективы имеют ФР около 50 мм (примерно соответствует охвату человеческого глаза), широкоугольные — 28—35 мм, более короткофокусные называются сверхширокоугольными. Длиннофокусные («телевики») объективы имеют ФР 100—400 мм.

Для цифровых фотокамер, имеющих меньшие матрицы, соотношение ФР/диагональ матрицы изменяется, и поэтому истинное фокусное расстояние объективов делают пропорционально меньше. Например, для матриц с диагональю 9 мм (1/1,8 дюйма), типичным будет объектив 10 мм (т.е. если диагональ матрицы примерно в 5 раз меньше стандарта 35 мм, то и для сохранения пропорций ФР должно быть соответственно уменьшено), а 35-мм объектив окажется полноценным «телевиком». Таким образом, в характеристиках аппарата есть два разных ФР — истинное и эквивалентное (ЭФР). На оправе объектива часто пишут через дробь ФР и светосилу, например 7—21/2,0—2,8. Надпись означает, что светосила при 7 мм равна 2,0, а при 21 мм — 2,8. Для пленочных фотоаппаратов ЭФР, естественно, всегда равно единице. Отношение «верхнего» и «нижнего» ЭФР называется зумом и обозначается обычно как 3x, 7х или 10x. Так, если объектив имеет диапазон ЭФР 38—380, то он имеет 10-кратное увеличение (10х). Следует отметить, что если вы выбираете фотоаппарат, ориентируясь преимущественно на кратность зума, то обращайте внимание прежде всего на верхнюю границу ЭФР. Потому что, например, два фотоаппарата с одинаковым на первый взгляд зумом 10x могут иметь разный диапазон ЭФР, и реально более «дальнозорким» будет тот, у кого выше верхняя граница ЭФР.

Не пытайтесь вычислять диагональ матрицы из дюймов (так сложилось, что это «нестандартные» дюймы, хотя если поделить их на 1,7, то получим приблизительно нужное число). Фактически размер матрицы характеризует соотношение ЭФР/ФР. То есть, если аппарат имеет матрицу 1/2,7 дюйма, диапазон ФР = 5,8—58 и ЭФР = 38—380, то ЭФР/ФР = 38/5,8 = 380/58 ї 7 и диагональ равна 42/7 = 6 мм. Обозначим соотношение ЭФР/ФР как SensorSf (такое соотношение часто называют «кроп-фактором»). В дальнейшем мы будем использовать его для некоторых вычислений. В таблице показаны типичные значения коэффициента SensorSf для матриц различных размеров.

ISO, диафрагма + выдержка = экспозиция

Для того чтобы свет, попадающий на матрицу (или пленку в традиционной фотографии), «зафиксировался», требуется определенное его количество, и чем оно меньше, тем выше чувствительность, которая измеряется в единицах ISO (см. врезку «ISO и шумы»). При заданной чувствительности на матрицу нужно подать определенное количество энергии, определяемое выдержкой. Выдержка измеряется в секундах (целым или дробным числом), например 8, 2, 1, 1/2, 1/30, 1/1000 и т.д. Бывают и «бесконечные» по времени выдержки. Сочетание выдержки и диафрагмы называют экспозицией. Именно последняя определяет, насколько темной или светлой получится фотография. При заданной диафрагме (т.е. при определенном количестве света) мы можем уменьшить выдержку, и кадр получится более темным, или увеличить, и снимок будет светлее. А можно наоборот, при фиксированной выдержке изменять диафрагму. При ее открывании (уменьшении диафрагменного числа) получаем более светлые снимки, при закрывании — более темные. Понятно, что для одной и той же внешней освещенности доступно несколько «верных» экспозиций. Например: 2,0 и 1/1000 c = 2,8 и 1/500 c = 4 и 1/250 c. Уменьшая количество света в 2 раза, мы для сохранения той же экспозиции увеличиваем соответственно в 2 раза выдержку.

Практически все фотокамеры обладают автоматическими режимами, позволяющими вычислять экспозицию без вмешательства пользователя. Экспозиция определяется на основании полученных камерой данных по внешней освещенности ЕV1 объектов и режима экспозамера. Последний определяет области в кадре, по которым фотокамера будет далее определять верную экспозицию объектов. Реально в кадре встречаются как очень светлые, так и темные области, и выбор того или иного режима может оказать ощутимое влияние на результат.

Диафрагма и выдержка влияют не только на «светлость» снимка. Диафрагма управляет глубиной резкости, а выдержка позволяет «замораживать» изображение, что полезно, например, для съемок динамичных сюжетов. Вспомните, что выдержка представляет собой время, в течение которого на матрицу подается энергия и происходит фиксация изображения. Если это время будет большим, то какие-либо объекты в кадре могут переместиться, и мы получим смазанную картинку. Таким образом, умение управлять парой «выдержка—диафрагма» является ключевым моментом в искусстве фотографии, и если вы освоите его, то сможете без труда получать нужный результат.

Фокусировка, ГРИП

Рис. 4. Демонстрация понятия ГРИП

Фокусировка представляет собой наведение объектива на требуемое расстояние. А что происходит с объектами, оказавшимися не в фокусе? Каждая точка превратится в пятнышко, причем тем большего диаметра, чем более открыта диафрагма и чем сильнее удален объект от «правильного» расстояния (на которое сфокусирован объектив). Можно провести аналогию с человеческим зрением: возьмите в левую руку карандаш и поднесите его на 10 см к лицу и сфокусируйтесь на нем. А теперь возьмите в правую руку, например, ручку и, не меняя фокусировки на карандаше, то приближайте, то отдаляйте ее от себя. Вы заметите, что на некоторых расстояниях ручка становится нерезкой, но при поднесении ее близко к карандашу она снова становится резкой. Определите ближнюю и дальнюю границы относительно карандаша, при которых ручка остается резкой. Фактически расстояние от ближней до дальней границы будет составлять глубину резко изображаемого пространства (ГРИП). Для большей ясности на рис. 4 показана фотография линейки. Видно, что ГРИП в данном случае составляет примерно 1,5 см (на шкале линейки — от 8,5 до 10).

Понятие резкости может быть формализовано. Как показывает практика, человеческий глаз при рассматривании фотографий 13і18 см почти не различает разницы для диаметра пятнышка около 1/1500 диагонали кадра. Исходя из этого выводятся формулы для тех расстояний, для которых пятно нерезкости будет в точности равно 1/1500 диагонали. Все, что между ними будет изображаться, «практически резко» (рис. 4).

Вообще, величина ГРИП зависит от диафрагмы и размера светочувствительного сенсора, причем в большей степени от последнего, ведь с точки зрения ГРИП любой цифровой фотоаппарат снимает так же, как пленочный с диафрагменным числом в SensorSf раз большим. Таким образом, чем меньше геометрический размер матрицы, тем выше ГРИП. Большая ГРИП хорошо подходит для пейзажей и макросъемки, но плохо — для портретов.

Понятие ГРИП очень важно в фотографии, и поэтому нужно четко представлять себе, что это такое. ГРИП также поддается вычислению, и мы непременно далее определим формулы, по которым легко точно узнать, какова будет глубина резкости в той или иной ситуации.

Здесь мы и закончим. В следующей части покажем общую схему работы цифровой фотокамеры. Узнаем, чем отличаются форматы файлов JPEG, TIFF и RAW. Рассмотрим возможности съемки, реализуемые в «любительских» цифрокомпактах. n

Дмитрий Зотов — инженер-программист в Тверском НИИ информационных технологий. Аспирант Тверского государственного университета при кафедре математического моделирования, e-mail: dzotov2@rambler.ru .

Продолжение следует.

ISO и шумы

В пленочной фотографии чувствительность ISO определяется пленкой, а в цифровой ее зачастую можно задавать непосредственно в меню фотоаппарата. Типичные значения ISO — 50, 100, 200 и 400, но бывают и другие. Для получения одинаково «серого» цвета на пленке (матрице) чувствительностью ISO 400 нужно подать вчетверо меньше энергии света по сравнению с ISO 100. Казалось бы, чем больше ISO, тем лучше. Но это не так, с увеличением ISO повышаются шумы (в случае пленки это зернистость). И чем меньше размер сенсора, тем они сильнее. Приведенная таблица характеризует сопоставимый уровень шумов при разных размерах сенсоров и ISO.

Для получения снимков максимально высокого качества желательно всегда выставлять минимально возможную чувствительность.

Следует также отметить, что не существует каких-либо «стандартов» на уровень шумов. Зачастую камера A может на ISO 200 шуметь, как камера B на ISO 100 (при одинаковом размере сенсора). Существуют другие параметры (например, системы шумоподавления, уровень выставленной резкости и др.), влияющие на конечный уровень шумов.