Параметры, характеризующие качество цифровых изображении.
Тема 4. Фотографическая обработка и печать изображений
Объем лекций: 2 академических часа.
Вопросы: Технология цифрового «проявления» изображения. Параметры, характеризующие качество цифровых изображений. Особенности получения цифровых изображений сканированием. Программная цветокоррекция, усиление (ослабление) цифрового изображения. Гистограмма изображения. Печать цифровых фотоизображений. Признаки цифровых фотоотпечатков, полученных лазерным, струйным, термосублимационным способами печати.
Вопросы на практическое занятие:
Основы теории проявления фотоматериалов. Эффекты проявления. Качество негативного изображения. Основные стадии лабораторной обработки негативных, позитивных и обращаемых цветных фотоматериалов. Закрепление проявленного изображения. Сущность процесса фиксирования.
Позитивный процесс: сущность и содержание. Проекционный и контактный способы фотопечати. Качество позитивного изображения, критерии его оценки. Факторы, влияющие на качество снимков. Устройство и принцип действия минифотолабораторий.
Технология цифрового «проявления» изображения.
Лабораторные исследования 10-летней давности показали, что аналоговая пленка чувствительностью 100 ASA имеет теоретическое значение разрешения около 5 ООО ООО pixel, которое, вследствие диффузии света в цветной эмульсии на практике понижается примерно до 2 – 3 миллионов (Шлихт Ганс Юрген. Цифровая обработка цветных изображений. М.: ЭКОМ, 1997. С. 303). Таким образом, современные модели цифровых любительских фотокамер с 7-ми мегапиксельным разрешением уже обогнали по этому показателю аналоговую фотографическую технику.
|
|
|
Вместе с тем, качество изображения, получаемого на выходе с ПЗС- матрицы фотоаппарата, зависит не только от количества составляющих ее элементов. Сформированное объективом изображение попадает на светочувствительную поверхность ПЗС-матрицы. Задача ПЗС-элементов — преобразовать энергию фотонов в электрический заряд. Разумеется, внутренним фотоэффектом работа сенсора не ограничивается — необходимо сохранить «отнятые» у полупроводника носители заряда в специальном хранилище, а затем их считать. Считывание фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые преобразовывают строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данная серия представляет собой аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель. В целом, последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. После считывания всех зарядов из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем следующую и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков.
|
|
|
Совокупность вертикально ориентированных последовательного и параллельного регистров сдвига собственно и образует конструкцию ПЗС-матрицы. Работа всех регистров полностью синхронизирована.
Данный тип сенсора является наиболее простым с конструктивной точки зрения и именуется полнокадровой ПЗС-матрицей (full-frame CCD-matrix). Скорость считывания кадра в такой схеме ограничена скоростью работы как параллельного, так и последовательного регистра сдвига.
Также необходимо перекрывать световой поток, идущий от объектива, до завершения процесса считывания, поэтому интервал между экспонированием тоже зависит от скорости считывания.
В большинстве современных ПЗС-матриц поверх каждого пиксела располагается микролинза. Такое простейшее оптическое устройство покрывает большую часть площади ПЗС-элемента и собирает всю падающую на эту часть долю фотонов в концентрированный световой поток, который, в свою очередь, направлен на довольно компактную светочувствительную область пиксела.
|
|
|
Являясь оптическим устройством, микролинзы в той или иной мере искажают регистрируемое изображение. Чаще всего это выражается в потере четкости у мельчайших деталей кадра - их края становятся слегка размытыми. С другой стороны, такое нерезкое изображение в ряде случаев играет положительную роль. Связано это с тем, что изображение, формируемое объективом, содержит линии, размер и частота размещения которых близки к габаритам ПЗС-элемента и межпиксельному расстоянию матрицы. В этом случае в кадре можно наблюдать ступенчатость (aliasing) - назначение пикселу определенного цвета, вне зависимости от того, закрыт ли он элементом изображения целиком или только его частью. В итоге линии объекта на снимке получаются рваными, с зубчатыми краями. Для решения этой проблемы в камерах с матрицами без микролинз используется дорогостоящий фильтр защиты от наложения спектров (anti-aliasing filter), а сенсор с микролинзами в таком фильтре не нуждается.
Параметры, характеризующие качество цифровых изображении.
В качестве основных параметров ПЗС-матриц, характеризующих качество цифровых изображений, можно указать следующие.
Чувствительность. Для ПЗС-матриц - это способность определенным образом реагировать на оптическое излучение. Чем выше чувствительность, тем меньшее количество света требуется для реакции регистрирующего устройства. Для обозначения чувствительности при-менялись различные величины (DIN, ASA), однако в настоящее время этот параметр обозначается в единицах ISO (International Standards Organization — Международная организация стандартов).
|
|
|
С появлением цифровой фотографии светочувствительность уже не отражает химические свойства материалов, а выражает настройку усилителя сигналов, снимаемых с сенсора фотокамеры. Параметр ISO потерял свой исходный физический смысл, но приобрел новый, и теперь его называют индексом светочувствительности ISO. Наряду с диафрагмой и выдержкой, индекс ISO характеризует условия экспозиции кадра. Индекс ISO - величина, изменяющаяся плавно. Он может принимать любые зна-чения, а не только те, что были когда-то утверждены стандартом.
Для отдельного ПЗС-элемента под реакцией на свет следует понимать генерацию заряда. Очевидно, что чувствительность ПЗС-матрицы складывается из чувствительности всех ее пикселов и в целом зависит от двух параметров:
Первый параметр - интегральная чувствительность, представляющая собой отношение величины фототока (в миллиамперах) к световому потоку (в люменах) от источника излучения, спектральный состав которого соответствует вольфрамовой нити лампы накаливания. Этот параметр позволяет оценить чувствительность сенсора в целом.
Второй параметр - монохроматическая чувствительность, т.е. отношение величины фототока (в миллиамперах) к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), соответствующей определенной длине волны. Набор всех значений монохроматической чувствительности для интересующей части спектра составляет спектральную чувствительность — зависимость чувствительности от длины волны света. Таким образом, спектральная чувствительность показывает возможности сенсора по регистрации оттенков определенного цвета.
Понятно, что единицы измерения как интегральной, так и монохромной чувствительности отличаются от популярных в фототехнике обозначений. Именно поэтому производители цифровой фототехники в характеристиках изделия указывают эквивалентную чувствительность ПЗС-матрицы в единицах ISO.
Важной характеристикой ПЗС-магрицы является порог чувстви-тельности - параметр регистрирующего свет устройства, характеризующий минимальную величину светового сигнала, который может быть зарегистрирован. Чем меньше этот сигнал, тем выше порог чувствительности.
Следует помнить о другом факторе, ограничивающем порог чувствительности. Им является тепловой шум (thermal noise), создаваемый даже при отсутствии потенциала на электродах одним лишь хаотичным движением электронов по ПЗС-элементу. Выдержки большой длительности ведут к постепенному накапливанию блуждающих электронов в потенциальной яме, что искажает истинное значение фототока. И чем «длиннее» выдержка, тем больше «заблудившихся» в яме электронов, тем больше «шумовых» искажений.
Технология производства ПЗС-матриц обладает рядом особенностей. В частности, практически в каждом ПЗС-элементе уровни как темнового тока, так и теплового шума не такие, как в соседних пикселах. Поэтому степень искажения фототоков паразитными зарядами распределена по матрице хаотическим образом. Положение усугубляется практически всегда присутствующей несогласованностью в подаче перемещающих потенциалов на электроды переноса. Все это ведет к появлению у каждого отдельного сенсора присущего только ему шума фиксированного распределения (fixed pattern noise), выражающегося в виде раскиданных по всему кадру пикселов постороннего цвета, яркость которых напрямую связана с выдержкой - чем дольше длится экспонирование, тем резче выделяются на снимке точки с паразитными зарядами. Наиболее заметные пикселы называются «горячими» (hot pixels).
Существует достаточно простое средство, позволяющее частично нейтрализовать шум фиксированного распределения - съемка последнего в серии кадра при закрытом крышкой объективе. Полученную «маску» из раскиданных на черном фоне «горячих» пикселов затем можно использовать для «изъятия» паразитных зарядов из кадра. Этот метод послужил базой для аппаратного решения в виде системы шумоподавления с помощью «темного кадра» (dark frame). Большинство современных любительских камер снабжаются такой системой - фотоаппарат сначала делает обычный снимок, а затем при закрытом затворе считывает «маску», полученную с той же выдержкой.
Динамический диапазон. От матрицы требуется способность реги-стрировать свет как при ярком солнце, так и при слабом комнатном освещении. Поэтому потенциальные ямы матрицы должны быть весьма емкими, а также уметь сохранять минимальное количество электронов при слабой освещенности или вмещать большой заряд, получаемый при попадании на сенсор мошного светового потока. Возможность сенсора формировать хороший снимок при разной освещенности и высокой контрастности определяется параметром «динамический диапазон», характеризующим способность матрицы различать в изображении, проецируемом на ее регистрирующую поверхность, самые темные тона от самых светлых. При расширении динамического диапазона количество оттенков снимка будет увеличиваться, а переходы между ними будут максимально соответствовать изображению, формируемому объективом.
Блюминг. В тех случаях, когда внутренний фотоэффект приводит к избыточному количеству электронов, превышающему глубину потен-циальной ямы, заряд ПЗС-элемента начинает «растекаться» по соседним пикселам. На снимках это явление, именуемое «блюмингом» (от английского blooming - размывание), отображается в виде пятен белого цвета и правильной формы, и чем больше избыточных электронов, тем крупнее пятна. Подавление блюминга осуществляется посредством системы элек-тронного дренажа (overflow drain), основная задача которой — отвод из-быточных электронов из потенциальной ямы. Необходимость добавлять в сенсор дренажные устройства усложняет его конструкцию, однако искажения кадра, вносимые блюмингом, нельзя игнорировать.
«Залипшие» пикселы. Из-за технологических погрешностей в некоторых ПЗС-элементах даже самая короткая выдержка ведет к лавинообразному накоплению электронов в потенциальной яме. На снимке такие пикселы, именуемые «залипшими» (stuck pixels), очень сильно отличаются от окружающих точек как по цвету, так и по яркости, причем, в отличие от шума фиксированного распределения, они появляются при любой выдержке и вне зависимости от нагрева матрицы.
Удаление залипших пикселов осуществляется посредством встроенного программного обеспечения камеры, обеспечивающего поиск дефектных ПЗС-элементов и запоминание их «координат» в энергонезависимой памяти. При формировании изображения значения дефектных пикселов в расчет не берутся, их заменяют интерполированным значением соседних точек. Чтобы определить дефектность пиксела в процессе поиска, его заряд сравнивается с эталонным значением, которое тоже хранится в энергонезависимой памяти камеры.
Размер матрицы по диагонали. Иногда в ряду прочих параметров какой-либо цифровой камеры указывается размер ПЗС-матрицы по диагонали (чаще всего в долях дюйма). В первую очередь эта величина связана с характеристиками объектива - чем больше габариты сенсора, тем крупнее должно быть формируемое оптикой изображение. Чтобы данное изображение полностью покрывало регистрирующую поверхность матрицы, размеры оптических элементов приходится увеличивать.
В цифровых «зеркалках», созданных на базе корпусов 35-мили- метровых аналоговых фотокамер, практически всегда изображение, формируемое объективом, перекрывает светочувствительную область матрицы. Вызвано это тем, что сенсоры с габаритами кадра 35-мил- лиметровой пленки слишком дороги, поэтому вынужденно часть изображения, формируемая объективом, оказывается не в поле зрения. В результате характеристики объектива смещаются в «длиннофокусную» область. При выборе сменной оптики для цифровой «зеркалки» следует учитывать коэффициент увеличения фокусного расстояния — как правило, он составляет около 1,5. Например, при установке вариообъектива 28—70 мм его рабочий диапазон составит 42-105мм.
Следует отметить, что чувствительность матрицы связана с габаритами ее регистрирующей области. Чем обширнее светочувствительная площадь каждого элемента, тем больше света попадает на него и тем чаще происходит внутренний фотоэффект, таким образом, возрастает чувствительность всего сенсора.
Аналого-цифровои преобразователь. Электрический сигнал, прошедший через усилитель, необходимо перевести в понятный микропроцессору камеры цифровой формат. Для этого используется аналого- цифровой преобразователь - АЦП (ADC, analog to digital convertor) — устройство, преобразующее аналоговый сигнал в последовательность цифр. Его главной характеристикой является разрядность, т.е. количество распознаваемых и кодируемых дискретных уровней сигнала. Чтобы вычислить количество уровней, достаточно возвести двойку в степень разрядности. Например, «разрядность 8 бит» обозначает, что преобразователь в состоянии определить 2 в 8-ой степени уровней сигнала и отобразить их в виде 256 различных значений.
При большой разрядности АЦП теоретически можно достигнуть глубины цвета (color depth), т.е. разрядности обработки цвета, описывающей максимальное количество цветовых оттенков, превышающей возможности их воспроизведения. Глубина цвета обычно выражается в битах, а количество оттенков вычисляется так же, как и количество уровней сигнала АЦП. К примеру, при 24-битной глубине цвета можно получить 16 777 216 оттенков цвета.
В действительности же глубина цвета для файлов в форматах JPEG либо TIFF, которые используются компьютером для обработки и хранения изображений, ограничена 24 битами (по 8 бит на каждый цветовой канал — синий, красный и зеленый). Поэтому используемые иногда АЦП с разрядностью 10, 12 и даже 16 бит (то есть глубиной цвета 30, 36 и 48 бит) можно ошибочно посчитать «избыточными». Если фотоаппарат оборудован функцией сохранения кадра в нестандартном формате (30-48 бит), то при дальнейшей компьютерной обработке есть возможность использовать «лишние» биты. При ошибках в расчете экспозиции существует возможность их компенсации с помощью «нижних» (в случае недодержки) либо «верхних» (при передержке) бит.
Дата добавления: 2019-09-02; просмотров: 939; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!