4.4.4 Воспроизведение градации объекта в изображении

4.4.4.1 Градационные свойства объекта и изображения

Деталь объекта воспринимается нами зрительно как деталь, потому что она отличается по светлоте от фона.

Различие деталей по светлоте называют контрастом. При этом различают контраст смежных участков и общий контраст, относящийся к объекту в целом.

Чтобы выразить контраст количественно, удобнее пользоваться не светлотой W, а легко измеряемыми характеристиками: яркостью В и оптической плотностью D. Связь между этими характеристиками и светлотой описывается законом Вебера-Фехнера.

Согласно этому закону, контраст изображения, равный разности светлот Δ W, определяется отношением яркостей участков или разностью логарифмов этих величин

ΔW = k lg(B₁/B₂) = k(lgB₁-lgB₂),

разностью оптических плотностей участков изображения

ΔW = k(D₁-D₂),

где k— коэффициент пропорциональности.

В репродукционной фотографии съемочный оригинал воспроизводится вместе с модельным оригиналом – градационной шкалой. Последняя содержит набор светлот, такой же, как у оригинала, но ее поля расположены в порядке уменьшения светлоты (возрастания оптической плотности). Название «градационная шкала» происходит от слова «gradatio» – постоянное изменение.

В качестве градационной шкалы можно использовать равномерную шкалу-клин с константой (шагом изменения оптической плотности) 0,1-0,15. На шкале отмечают границы оптических плотностей воспроизводимого оригинала. Полученный интервал плотностей делят на три части: света, средние тона (полутона) и тени, например, света 0,1-0,4, средние тона 0,4-1,2, тени 1,2-1,5. На градационной шкале отмечают границы этих зон.

При контроле градационного воспроизведения оригинала оценивают контраст светов, средних тонов, теней и изображения в целом. При необходимости следят за воспроизведением всех полей модельного оригинала, строя градационную кривую и оценивая по последней контраст смежных участков оригинала.

Оценку контраста можно производить по любой из величин, связанных со светлотой: по оптической плотности, яркости или освещенности (оптического изображения).

При использовании яркости для оценки общего контраста измеряют минимальную и максимальную яркости объекта В_min и В_mах. Разность логарифмов этих величин называют интервалом яркостей L_В:

L_B=lgB_max-lgB_min.

Для оценки контраста смежных участков определяют яркости соседних участков модельного оригинала, например В₁ и В₂. Разность логарифмов этих величин называют деталью яркости δВ:

δB = lgB₁-lgB₂.

При использовании оптических плотностей контраст смежных участков определяют как разность оптических плотностей этих участков:

δD = D₂-D₁.

Полученную величину называют деталью плотности.

Общий контраст изображения L_D определяют как разность оптических плотностей – максимальной и минимальной:

L_D=D_max-D_min.

Эту величину называют интервалом оптических плотностей. Интервал оптических плотностей и интервал яркостей численно равны:

L_B=L_D.

4.4.4.2. Типы градационной передачи

При фотографическом воспроизведении оригинала градационная шкала может быть воспроизведена точно или с искажениями. Наиболее полные сведения о качестве воспроизведения градации можно получить, построив градационный график, называемый также градационной кривой. Для его получения на оси абсцисс откладывают оптические плотности градационной шкалы-оригинала D_oр, а на оси ординат – оптические плотности фотографического изображения шкалы D_р.

Форма и положение градационного графика D_р (D_oр) относительно осей координат зависят от характера и объема градационных искажений.

Если градационных искажений нет (точная градационная передача), то оптические плотности участков изображения на оригинале и копии равны. Градационный график представляет прямую, проходящую через начало координат под углом 45° (график 1 на рис. 4.22).

Рисунок 4.22 – Типы градационных графиков при линейной градационной передаче: а – коэффициент контрастности воспроизведения равен 1,0 (график 1 построен для точного воспроизведения, график 2 – для плотности изображения, большей плотности оригинала); б – коэффициент контрастности воспроизведения равен единице (график 1) и отличен от нее (график 2 – контрастная передача, 3 – мягкая)

Градационная передача с искажениями может быть линейной или нелинейной.

При линейной передаче градационный график представляет прямую линию, описываемую уравнением

D_p=kD_op + ΔD_p,

где D_op и D_p — оптические плотности оригинала и репродукции, a ΔD_p – разность оптических плотностей репродукции и оригинала, это оптическая плотность репродукции в месте пересечения графика D_р(D_oр) с осью ординат (при D_oр=0). Коэффициент k при D_oр – коэффициент контрастности воспроизведения.

Если k = 1 и ΔD = 0, то передача является точной. Если k = 1, а ΔD ≠ 0, то общий контраст и контрасты смежных участков воспроизведены точно, но оптические плотности изображения на репродукции завышены или занижены на величину ΔD (график 2 на рис. 4.22, a).

Если k ≠ 1, изображение имеет искажения по контрасту: при k > 1 контраст завышен (график 2 на рис. 4.22, б), при k < 1 – занижен (график 3 на рис. 4.22, б).

Если степень искажения различна в разных областях градационного графика, то график криволинеен (рис. 4.23). В этом случае имеет место нелинейная градационная передача с переменным градиентом воспроизведения:

g_B=dD_из/dD_cp=var,

где Dиз — оптическая плотность полученного изображения. При такой передаче следует обратить внимание на воспроизведение светов и теней, оценивая как детали плотности изображения, так и средние градиенты воспроизведения светов, средних тонов и теней:

g_{ср св}=(ΔD_из/ΔD_ор)_св; g_{ср ср т}=(ΔD_из/ΔD_ор)_{ср т}; g_{ср т}=(ΔD_из/ΔD_ор)_т.

Общий контраст также оценивается средним градиентом

g_cp=ΔD_из/ΔD_op.

Нелинейная передача зачастую бывает неизбежной, если интервал оптических плотностей оригинала или интервал яркостей объекта слишком велик и не может быть воспроизведен на репродукции. Ее можно считать допустимой, если в тех градационных областях, где расположены сюжетно важные детали, график прямолинеен и коэффициент контрастности воспроизведения равен единице. Например, если сюжетно важные детали находятся в светах и средних тонах, допустимая градационная передача описывается кривой 1 рис. 4.23, а недопустимая – кривой 2.

Рисунок 4.23 – Примеры нелинейной градационной передачи

Градационные графики можно строить в любых координатах, отражающих светлоты объекта и изображения. Например, градационными графиками являются кривые

lgE_из(lgB_ор), lg E_из(D_ор), D_из(lgB_ор)

где Е_из – освещенности участков оптического изображения, В_ор – яркости объекта или оригинала.