35
Произвести тоновую коррекцию изображения, что позволит проявить детали в тенях и тем самым расширить эффективный динамический диапазон вплоть до теоретического предела, определяемого разрядностью АЦП.
Напомним, что для 24-битной ЦФК он составляет 2,4D, а для 36-битной — 3,6D. Это неудивительно, ведь даже при L<1 в глубоких тенях еще присутствуют пиксели, отличные от абсолютной точки черного. При L=1 значения R, G и В составляют от 3 до 7, в зависимости от цветового баланса.
Однако такая корректировка неминуемо приведет к повышению уровня шумов в тенях. Некоторые ЦФК позволяют влиять на динамический диапазон в процессе съемки косвенно, через изменение настроек яркости и контрастности изображения.
А вот расширить диапазон воспроизводимых яркостей за счет светов не удастся — там просто нет деталей, отличных от белого цвета. Это связано с конструктивными особенностями ПЗС-матриц. Для предотвращения силового пробоя электросхемы при превышении определенного порога лишние электроны, образующиеся в приемной ячейке за счет фотоэффекта, просто «сливаются» на массу через специальные предохранительные цепи. Этим обстоятельством вызвано характерное «обрезание» характеристической кривой ЦФК со стороны светов.
Характеристики ЦФК и изображений, полученных ими
Характеристики ЦФК и изображений, полученных ими: формат изображения, формат матрицы, размер пикселя, оптическое разрешение и разрешающая способность, шумы матриц,
чувствительность матрицы, динамический диапазон матрицы, глубина цвета.
1. Формат хранения изображений
Проблема памяти для цифровых фотоаппаратов занимает важное место. Для того чтобы уменьшить объем записываемой в память фотоаппарата информации, ее подвергают спец. обработке - сжатию. Сжатие позволяет сохранять большее количество изображений на карте памяти, кроме того, они быстрее переписываются на компьютер. Кроме сжатия на размер изображения влияет и разрешение снимка.
Существуют два типа сжатия изображения: с потерей качества и без потерь. Наиболее простой способ сжатия заключается в том, что в записи изображения ищутся однотипные последовательности цифр, которые записываются в компактной форме. Например, последовательность, описывающую серую линию: 200, 200, 200, 200 – можно записать компактно 4х200. Преимуществом такого сжатия является то, что изображение не искажается, а недостатком – то, что объем изображения уменьшается всего на 10-20%. Поэтому такой способ сжатия применяется
36
лишь тогда, когда надо получить изображение высокого качества. Имена таких файлов имеют расширение (название) gif и tif (форматы GIF и TIFF).
Чаще для сжатия изображения применяют алгоритм JPEG (Joint Photographic Experts Group). Он основан на исключении из файла информации о мелких деталях, т.е. это сжатие с потерей качества изображения. Процент сохранения информации задают при сохранении картинки в этом формате. Чем больше процент сжатия, тем меньшим по размеру получится файл, но тем хуже изображение.
При съемке в JPEG или TIFF камера, пользуясь встроенным процессором, автоматически рассчитывает баланс белого и вводит поправки цвета, часто теряя информацию об изображении, особенно в тенях и светах. Все важные решения принимает камера. При этом сразу отбрасывается порой до 80% информации, полученной матрицей.
При съемке в режиме RAW файл записывается на карту без обработки камерой. По сути RAW-файл – это структурированная определенным образом информация о яркости каждом из трех спектральных каналов (интерполяция внутри камеры не запускается), а для преобразования изображения в цветное подбираются специальные внешние программы (они еще называются RAW-конверторами, т.е. преобразователями).
2.Формат матрицы и размер пикселя
Поскольку физический размер матрицы напрямую связан с количеством попадающего на матрицу света, то чем матрица больше, тем качественней будут фотографии в условиях плохой освещенности. Однако увеличение размера матрицы неминуемо повлечет за собой увеличение размеров и стоимости фотоаппарата. Определяются в виде условной длины, приведённой к диагонали видикона, обозначаются в виде дроби с размерностью в дюймах, например 2/3", 1/2,5", 1/1,8"
Размер пикселя фиксирован и его чувствительностью определяется чувствительность матрицы – чем больше площадь каждого элемента, тем больше света попадает на него, соответственно возрастает чувствительность всего ЭОП. Чем меньше пиксель, тем мельче глубина потенциальной ямы, тем уже динамический диапазон. Увеличение чувствительности может быть достигнуто программными средствами (усилением сигнала при обработке).
3.Оптическое разрешение и разрешающая способность
Втрадиционной фотографии разрешение определяется максимальным количеством раздельно передаваемых штрихов, приходящихся на 1 мм изображения. В цифровой фотографии разрешение определяется количеством точек в изображении. Чем выше разрешение, тем меньшие детали объекта способна передать фотокамера. На разрешающую способность цифрового изображения влияют
характеристики оптики, свойства ЭОП, программные преобразования, производимые процессором ЦФК. Определяется стандартно - путем съемки тест-объектов, как предельная пространственная частота, воспроизводимая ЦФК.
Для матриц вводятся понятия «оптическое разрешение» и «интерполяционное разрешение». Оптическое разрешение матрицы характеризует шаг дискретизации фиксируемого
изображения. Оптическое разрешение выражается в пикселях на дюйм, ppi (pixels per inch). Оптическое разрешение фотоматрицы задают двумя способами:
-ее размером в пикселях по горизонтали и по вертикали;
-общим количеством пикселей, которые она содержит. Например: изображение 1600х1200 пикселей или 1.92 млн. пикселей.
Увеличение оптического разрешения достигают или увеличением размеров ПЗС-матрицы, или уменьшением размеров ячейки.
Большинство любительских фотоаппаратов имеют разрешение 8-10 млн пикселов. Для сравнения, оптическое разрешение человеческого глаза составляет порядка 120 млн пикселов, традиционные 35-мм слайды, по разным оценкам, содержат от 10-20 млн элементов изображения.
Интерполяционное разрешение – это программное повышение оптического разрешения. Оно
не повышает степень детализации изображения, а лишь понижает его зернистость. При интерполяции ПЗС-матрица считывает графическую информацию на пределе своего оптического
37
разрешения. После этого каждый пиксель изображения разбивается на несколько более мелких пикселей, которым присваиваются усредненные значения цвета соседних, реально считанных пикселей.
4. Шумы матриц
Темновой ток складывается из электронов, попавших в яму при полном отсутствии светового потока, является следствием термоэлектронной эмиссии и возникает в ПЗС-элементе при подаче потенциала на электрод, под которым формируется потенциальная яма. Если световой поток слаб, то величина фототока может быть меньше, чем величина темнового тока. Именно это ограничивает порог чувствительности. Зависимость темнового тока от температуры сенсора: при нагревании матрицы на 90С её темновой ток возрастает в два раза. Название «темновой» обусловлено тем, что данный паразитный заряд образуется «просочившимися» в яму электронами, созданными не фотоэффектом, а термоэлектронной эмиссией, при его накоплении световые лучи не падали на поверхность сенсора.
Тепловой шум - явление обусловлено хаотичным движением носителей заряда в толще полупроводника, которое не прекращается и при отключении потенциала, подаваемого на электрод. Блуждая в материале матрицы, электроны либо дырки, в конце концов, притягиваются потенциальной ямой и оседают в ней при закрытом затворе и при отсутствии потенциала. При считывании сигнала паразитные заряды добавляются к заряду пикселя, искажая его истинное значение. При "длинной" выдержке их становится больше.
В каждом ПЗС-элементе уровни темнового тока и теплового шума не такие, как в соседних пикселях. Поэтому степень искажения фототоков паразитными зарядами распределена по матрице хаотическим образом. Это ведёт к появлению у каждого отдельного сенсора присущего только ему шума фиксированного распределения, выражающегося в виде раскиданных по всему кадру пикселей постороннего цвета. Особенно сильно наблюдаются шумы в тенях.
Физический размер матрицы и размер каждого пикселя в отдельности значительно влияют на кол-во шумов. Чем больше физический размер матрицы, тем больше ее площадь и тем больше света на нее попадает, в результате чего полезный сигнал матрицы будет сильнее и соотношение сигнал / шум будет лучше. Это позволяет получать более яркую, качественную картинку с естественными цветами. Так же при большом размере каждого отдельного пикселя, слой изоляции, разделяющий пиксели друг от друга, толще и меньше зарядов ее пробивает, т.е. токов утечки меньше, а соответственно шумов меньше.
Аналогом шумов ПЗС-матрицы у пленок является зернистость.
5. Чувствительность матрицы
Чувствительность — способность определенным образом реагировать на световое излучение, характеризуется значением освещенности на объекте в люксах, обеспечивающее заданные параметры качества (полная разрешающая способность) выходного сигнала.
Число светочувствительности пленки можно изменить условиями проявления. В цифровых фотоаппаратах максимальная светочувствительность матрицы является постоянной и зависит от размеров пикселя - чем больше размеры пикселя, тем больше света он воспринимает и тем более чувствительной будет матрица. Увеличение чувствительности может быть достигнуто программными средствами (усилением сигнала при обработке).
Чувствительность матрицы является интегральной величиной, зависящей от чувствительности каждого элемента. Чувствительность пикселя матрицы зависит, во-первых, от площади светочувствительной области, во-вторых, от квантовой эффективности, т.е. отношения числа зарегистрированных электронов к числу упавших на поверхность сенсора фотонов.
Единицы измерения как интегральной, так и монохромной чувствительности отличаются от принятых обозначений, поэтому производители цифровой фототехники в характеристиках изделия указывают эквивалентную чувствительность матрицы в единицах ISO.