2.2.3.1. Цифровая фотография

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 фокусирования изображения на пленку свет попадает на светочувствительные ячейки полупроводникового чипа, называемого сенсором. Сенсор реагирует на получаемые фотоны, что фиксируется фотоаппаратом. Далее вычислительный блок фотоаппарата анализирует полученную информацию и определяет необходимые значения выдержки и диафрагмы, вычисляет баланс белого, необходимость применения фотовспышки и т. д. Затем сенсор фиксирует изображение и передает его на блок АЦП (аналого-цифровой преобразователь), который преобразует аналоговые электрические импульсы, пропорциональные яркости каждой точки изображения, в цифровой вид (последовательность нулей и единичек); полученные данные проходят дальнейшую обработку с помощью специальных (зависящих от конкретной модели и фирмы производителя) алгоритмов и преобразуются в файл изображения, который уже можно увидеть на экране и оперативно оценить результат съемки или просто удалить неудачный снимок и повторить съемку. Файл изображения записывается на встроенный или внешний электронный носитель. Далее изображение может быть перенесено на компьютер, выведено на принтер или телевизор.

На всем протяжении этого многоступенчатого процесса электроника камеры непрерывно реагирует на действия фотографа. Показанный процесс описывает лишь основы получения цифрового изображения.

Ц

Рис. 60. Зеркальный цифровой фотоаппарат

– корпус со светонепроницаемой камерой;

– объектив;

– затвор;

– устройство для определения границ изображения;

– механизм фокусировки;

– фотосенсор;

– цифровой блок обработки и хранения данных;

– карта памяти.

Пиксель является элементом, из которого строится цифровое изображение.

Фотосенсор – это устройство, преобразующее световую энергию в энергию электрического заряда: чем ярче свет, тем больше заряд.

Матрица цифрового аппарата состоит из нескольких миллионов фотосенсоров, выстроенных в ряды и строки (рис. 61). При проецировании изображения на матрицу в каждом его фотосенсоре возникает заряд, зависящий от яркости приходящегося на него элемента изображения.

К

Рис. 61. Сенсор цифровой камеры

Фотосенсоры обладают повышенной чувствительностью к инфракрасному излучению, поэтому, кроме цветных фильтров, устанавливают и инфракрасный.

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 формат. Двоичное число – это последовательность 0 и 1, где каждая цифра называется битом информации. В цифровой фотографии 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. Таким образом, каждый кластер из трех пикселей со светофильтрами трех основных цветов дает 3×8 = 24 бита, которые и определяют цвет и яркость пикселя. Число бит называют глубиной цвета. При 24-битной глубине цвета мы получаем 256×256×256 = 16,7 млн цветов. Это обеспечивает восприятие человеческим глазом цвета как «истинного».

Для хранения цифровых данных в камерах различных производителей применяются разные типы носителей информации – карты памяти различных форматов.

Карту памяти можно представить как гигантскую матрицу (учитывая объемы информации, которые способны храниться на современных картах памяти) из горизонтальных и вертикальных линий, где в каждом пересечении хранится 1 бит информации. Емкость карты определяет число изображений, которые можно сохранить на карту памяти.

Разрешение изображения, выдаваемого цифровой камерой, зависит от разных факторов. Прежде всего это качество объектива и его разрешающая способность. Следующий фактор – число пикселей в матрице и, наконец, способ обработки цифровых данных в камере.

При использовании качественного объектива аналоговая пленочная технология дает на 18–20 млн пикселей с кадра 35-миллиметровой пленки (24×36 мм), однако фотосенсор с 10 млн пикселей может дать изображение близкого качества. 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).

Устройство большинства современных цифровых камер дает возможность установить разрешение камеры, например, 6 Мп, 5 Мп, 4 Мп (для электронного учебного пособия на экране монитора вполне достаточно 2 Мп). Необходимо использовать максимальное разрешение, так как после съемки увеличить его уже невозможно без потери в качестве и детализации изображения.

Кроме выбора разрешения камеры, можно также 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 объем.

Наибольшее распространение в современных цифровых камерах получил алгоритм сжатия JPEG. Упрощенно представим его работу. Программа отыскивает области изображения, где пиксели имеют похожий цвет и яркость, и записывает полные данные только для первого пикселя, отмечая группу пикселей с соответствующими параметрами. При открытии такого файла для просмотра или печати данные первого пикселя повторяются нужное число раз для всей серии. Можно устанавливать различные степени сжатия JPEG, доводя уменьшение файла до 100-кратного, при этом группируются пиксели уже не так близкие друг к другу по цвету и яркости. Данный алгоритм относится к группе алгоритмов «сжатия с потерями», так как в результате его работы теряется часть исходной информации.

Существуют алгоритмы сжатия без потерь, например RAW, применяемый для хранения изображений высокого разрешения и качества в цифровых камерах (формат RAW является нестандартизированным, и алгоритм его работы зависит от производителя фотокамеры и фотосенсора). При реализации сжатия без потерь применяются математические алгоритмы, уменьшающие занимаемое изображением место. Такое преобразование обратимо, т. е. при открытии такого файла качество изображения не теряется по сравнению с исходным файлом.

В большинстве цифровых фотоаппаратов размер фотосенсора меньше по размеру кадра 35-миллиметровой пленки. Поэтому, сравнивая датчик с кадром на пленке, мы видим, что при том же физическом фокусном расстоянии объектива на датчик цифровой камеры попадает меньшая часть снимаемой сцены.

Так как большинство пользователей имеют опыт съемки на пленочные фотоаппараты, оказалось удобным сравнивать по углу поля зрения объективы пленочных и цифровых камер. Если в обеих установлен один и тот же объектив, то угол поля зрения 35-миллиметровой пленочной камеры шире, чем угол поля зрения цифровой камеры с датчиком меньшего размера. Поэтому для получения аналогичного изображения в 35-миллиметровой пленочной камере требуется объектив с большим фокусным расстоянием, чем в цифровой камере,– этим достигается уменьшение угла поля зрения. Такая информация обычно записывается на оправе объектива цифровой камеры, например 4 мм (эквивалент для 35-миллиметровой пленочной камеры – 28 мм).

Многие современные цифровые фотокамеры оснащаются объективами с переменным фокусным расстоянием (оптическим зуммированием), позволяющим плавно изменять фокусное расстояние и переводить объектив в широкоугольное или длиннофокусное положение. Большинство моделей снабжены также цифровым зуммом, который увеличивает диапазон трансфокации. При цифровом зуммировании центральная часть изображения увеличивается до размера полного кадра. При этом в формировании изображения участвует меньшее число пикселей, и разрешение снимка уменьшается. Данный режим лучше сразу отключить в установках камеры, так как подобного эффекта можно добиться, кадрируя исходное изображение, например, при печати.

При съемке фотосенсор подвергается воздействию света. Экспозиция зависит от двух факторов: от яркости света и от длительности его воздействия на фотосенсор. Световой поток регулируется диафрагмой объектива, а длительность экспонирования – фотографическим затвором. Таким образом, можно сделать вывод, что фотосъемка на цифровую камеру ничем принципиально не отличается от фотосъемки на пленочную камеру. Действуют те же закономерности, которые раскрыты в предыдущих разделах.

Цифровые камеры обладают рядом новых возможностей по сравнению с пленочными камерами.

Экран предварительного просмотра. Как правило, это жидкокристаллический экран, выполняющий несколько функций. Прежде всего это просмотр только что отснятого кадра (или группы кадров), позволяющий оценить качество экспонирования, фокусировки и удачность композиционного решения. В большинстве цифровых камер он также работает во время съемки кадра, являясь альтернативой оптическому видоискателю, так как границы кадра на экране отображаются точнее, чем в оптическом видоискателе. Исключением может быть лишь случай фотосъемки при высокой освещенности, например летом в полдень на пляже. В таких условиях информация на ЖК-дисплее становится неразличима и, как следствие, нельзя осуществить кадрирование по ЖК-экрану. Поэтому при выборе цифрового фотоаппарата необходимо отдавать предпочтение устройствам с дополнительным оптическим видоискателем. На ЖК-экран, в зависимости от режима работы фотокамеры, выводится информация об экспозиционных параметрах и другая информация. С помощью ЖК-экрана мы получаем доступ к меню управления настройками камеры.

В большинстве цифровых камер записывается не только само изображение, но и дата, время съемки, номер файла или кадра, размер и качество изображения и другая информация.

Баланс белого. Освещенность может меняться по цвету в зависимости от условий съемки, 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 также 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.

Светочувствительность фотопленки измеряется числами, определенными Международной организацией по стандартизации ISO. Несмотря на различия в технологиях, было принято решение оценивать чувствительность фотосенсоров по этой же шкале. Многие современные цифровые камеры позволяют менять чувствительность фотосенсора в достаточно широких приделах (от 100 до 1600 единиц и более). Выбор чувствительности фотосенсора можно осуществлять в автоматическом или ручном режимах. Чем больше число ISO, тем выше светочувствительность пленки или фотосенсора. Но часто, когда мы упоминаем эквивалент ISO у сенсора, на самом деле мы имеем в виду усиление – способность сенсора электронным образом усиливать сигнал. Так же, как и в фотопленке, при увеличении этого числа увеличивается зернистость, в сенсорах увеличивается вероятность появления помех в виде цифровых шумов, поэтому приходится искать компромисс между светочувствительностью и качеством изображения.