Интернет магазин китайских планшетных компьютеров

Компьютеры - Достоинства и проблемы цифровой фотографии - Проблемы

Разрешение изображения

При цифровой съёмке изображение представляется дискретным массивом точек. Детали изображения размером меньше одного пикселя не сохраняются. Разрешение получаемого изображения определяется базовым разрешением сенсора камеры, а также её текущими настройками.

Более высокое разрешение позволяет сохранить больше деталей изображения, но приводит к увеличению размеров цифрового образа, требующего от камеры и компьютера более высокой производительности и носителей большего объема.

Вместе с тем фотоплёнка также имеет свою дискретность. Изображение на плёнке образовано чёрными или пигментными доменами разного размера, осаждёнными во время фотопроцесса.

Исходя из среднего размера зерна фотоплёнки, аналогичным разрешением для цифрового изображения принято считать разрешение 12-16 мегапикселей на кадр. Такое или большее разрешение имеют современные зеркальные камеры.

Однако, реальное разрешение получаемого изображения, кроме пиксельного разрешения сенсора зависит от оптического разрешения объектива и устройства сенсора.

Уже разрешение 5,25 Мп достаточно для качественных фотографий размером 256×192мм=25,6×19,2 см. По старой шкале размера фотобумаги — это 18×24 см

Оптическое разрешение объектива

Разрешение изображения не может быть выше разрешающей силы объектива. Оптическое разрешение, достаточное для получения четкого изображения с разрешением 12-16 мегапикселей, может обеспечить только полупрофессиональная съемная оптика. Объективы же большинства компактных камер обеспечивают разрешение эквивалентное 2-4 Мп.

В сравнение с плёночными, цифровые камеры того же класса имеют одинаковые объективы или объективы меньшего размера.

В зеркальных камерах применяются одни и те же объективы, но модели с неполноформатными сенсорами фиксируют только часть кадра, и следовательно имеют меньшее разрешение относительно размера кадра.

Влияние устройства сенсора

Разрешение изображения, также, может ограничить устройство сенсора..

Цифровой шум

На левой части изображения приведён фрагмент фотографии снятой при неблагоприятных условиях, шум хорошо заметен. На правой части изображения — фрагмент фотографии снятой при благоприятных условиях. Шум практически незаметен

Цифровые фотографии, в той или иной степени, содержат цифровой шум. Количество шума зависит от технологических особенностей сенсора.

Шум в большей степени проявляется в тенях изображения. Шум возрастает с увеличением светочувствительности съёмки, а также, с увеличением времени экспозиции.

Цифровой шум в чём-то эквивалентен зернистости изображения на фотоплёнке. Зернистость повышается с увеличением чувствительности плёнки, точно также как и цифровой шум. Однако, зернистость и цифровой шум имеют разную природу и различаются по внешнему виду:

В отличие от цифрового шума, изменяющегося от камеры к камере, степень зернистости плёнки не зависит от применяемой камеры — самый дорогой профессиональный аппарат и дешёвая компактная камера на одной и той же плёнке дадут изображение с одинаковой зернистостью.

Цифровой шум начинает подавляться ещё при считывании с сенсора, продолжается при обработке изображения камерой. При необходимости шум также может быть дополнительно подавлен в программах обработки изображений.

При конвертации RAW-файлов мы работаем с неизменёнными данными с матрицы аппарата и поэтому можем более точно работать с подавлением шумов, так как изображение и шумы на нем не размыты интерполяцией цветовых плоскостей.

Муар

Дефект. Муар при съемке текстуры

При цифровой съемке происходит растрирование изображения, поэтому если в изображении присутствует другой растр близкий по размеру к растру сенсора, может возникнуть муар — биение растров, образующее зоны усиления и ослабления яркости, которые сливаются в линии и текстуры, которых нет на объекте съемки.

Муар усиливается с приближением частот и уменьшением угла между растрами. Последнее свойство означает, что муар можно уменьшить, снимая сцену под некоторым углом, подобранным опытным путем. Нормальную ориентацию сцены можно вернуть в графическом редакторе.

Муар очень ослабляется при расфокусировке — в том числе «смягчающими» светофильтрами или оптикой относительно невысокого разрешения, неспособной сфокусировать точку, соизмеримую с линией растра сенсора.

В сенсорах, представляющих собой прямоугольную матрицу светочувствительных датчиков, имеется как минимум два растра — горизонтальный, который образуют строки пикселей и, перпендикулярный ему, вертикальный. К счастью, большинство современных камер имеют достаточно низкое оптическое разрешение, чтобы хорошо сфокусировать растр близкой частоты, и возникающий муар довольно слаб.

Фильтр Байера, применяемый в большинстве современных цветных фотосенсоров, вносит в муар свою лепту — из-за интерполяции цвета снижает резкость и ослабляет муар от пиксельных растров, а также придает отдельным участкам реальных или муарных линий цветовые девиации. Вместе с тем, фильтр Байера порождает еще четыре растра в цветовых плоскостях, что может быть причиной появления цветного муара. Цветные растры являются менее плотными, и образуют менее плотный муар, но при этом имеют вдвое меньшую частоту, и, поэтому, образуют муар на большем количестве объективов.

Существуют алгоритмы подавления различных типов муара, применяемые в некоторых камерах при съёмке, а также RAW-конвертерами и графическими редакторами.

На некоторых изображениях муар появляется после уменьшения их размеров.

Статические дефекты сенсоров

Отдельные светочувствительные элементы сенсора, в результате производственного брака могут обладать аномальной чувствительностью или не работать вообще. В процессе эксплуатации могут появиться новые дефектные элементы.

На нынешнем уровне развития технологии производства сенсоров избежать появления дефектных элементов очень сложно, и сенсоры, содержащие их в малом количестве, не считаются бракованными.

Статически «белые» или элементы с повышенной чувствительностью называют «горячими» пикселями, статически черные — «мертвыми» или «битыми» пикселями.

Дефекты изображения, образовавшиеся в результате аномалий сенсора, обычно устраняются фильтрами шумоподавления.

Также камера может программироваться на особенности своего сенсора так, чтобы аномальные элементы игнорировались при считывании, а их значения определялись интерполяцией. Такое программирование, римэпинг, проводят в процессе контроля качества, при появлении новых дефектных элементов римэпинг можно повторить.

Загрязнение матрицы

Смена объективов на зеркальном аппарате приводит к попаданию пылинок. На плёночном аппарате каждая такая пылинка может испортить максимум один кадр. Основательно прилипшая пылинка на матрице будет «прилипшей» ко всем снятым после этого кадрах. Поэтому возникает задача чистить матрицу от пыли или защищать её от налипания. Для компактных цифровых камер эта проблема менее актуальна, поскольку в процессе эксплуатации объектив никогда не снимается. Пыль в компактную камеру засасывается через щели при открытии складного объектива или при работе трансфокатора. Увы, очистка сенсора «мыльницы» гораздо более сложная задача, связанная с полной разборкой камеры.

Динамический диапазон / фотоширота

Дефекты «выгорания» светов и зачернения теней

В отличие от пленочных камер, в которые можно зарядить пленки с разной фотографической широтой, динамический диапазон цифровой камеры определяется ее сенсором и поэтому постоянен. Светочувствительные сенсоры первых цифровых камер имели меньший динамический диапазон по сравнению с традиционной фотоплёнкой. Поэтому при съемке сюжета с большим диапазоном яркостей на цифровых снимках наблюдалось «выгорание» светов и/или зачернение теней. При «выгорании» пиксель приобретает максимальное значение яркости, при зачернении значение яркости приближается к минимальному значению.

Динамический диапазон сенсора зависит от линейного размера светочувствительного датчика на сенсоре. Чем он больше, тем больше света на него попадает, тем больше получаемый диапазон зарядов и тем меньше влияние флуктуаций, тем большую широту можно с него получить. Поэтому зеркальные камеры, имеющие размер датчика от 5,5 до 8,2 микрон имеют больший динамический диапазон, чем компактные камеры с датчиком от 1,5 до 3,5 микрон. Кроме того, сенсоры с большими датчиками дают меньше цифрового шума.

Цифровые задники для «среднего формата» имеют еще больший размер датчика — от 7 до 9 микрон, что позволяет делать фотографии с ещё большей фотографической широтой и меньшим количеством шума.

Некоторые камеры для повышения фотографической широты используют сенсоры с датчиками разной чувствительности и размера, группируемые для получения яркости конечного пиксела изображения.

Динамический диапазон современных зеркальных камер, больше 10 EV, а у лучших моделей — до 14 EV, что больше фотографической широты профессиональных фотопленок, и близко к их полному динамическому диапазону и намного больше фотошироты слайда, однако компактные цифровые камеры все еще заметно уступают негативной пленке.

Внутренние отражения

Фотосенсор, представляющий собой интегральную схему, выполненную на полированном монокристалле кремния, отражает свет сильнее, чем имеющая матовую поверхность фотоплёнка. Эти паразитные отражения могут вызвать появление бликов.

Кроме того, в оптической системе цифрового фотоаппарата присутствует ИК фильтр, также имеющий отражающие поверхности.

С некоторыми объективами это порождает дополнительные блики и паразитные изображения, отсутствовавшие на плёнке.

Высокое энергопотребление

В плёночной фотографии изображение получается химическим способом, не требующим электричества. Электричество могут использовать только дополнительные электронные компоненты, если камера ими оборудована. Процесс же получения и записи цифрового изображения является полностью электронным. В связи с этим, подавляющее большинство цифровых камер потребляют больше электроэнергии, чем их электронные плёночные аналоги. Особенно высоким энергопотреблением отличаются компактные камеры, использующие в качестве видоискателя жидкокристаллический экран, с люминесцентной подсветкой.

Сенсоры, выполненные по технологии CMOS, отличаются меньшим энергопотреблением, чем CCD-сенсоры.

Из-за энергопотребления, а также стремления к компактности, в большей части цифровых камер производители отказались от использования батарей размеров AA и AAA, популярных в пленочных камерах, в пользу более ёмких и компактных аккумуляторов. Некоторые модели позволяют использовать батареи AA в дополнительных батарейных блоках.

Сложное устройство и высокая цена цифровых камер

Даже самая простая цифровая камера является сложным электронным устройством, потому что как при съемке, как минимум, должна:

• открыть затвор на заданное время
• считать информацию с сенсора
• записать файл изображения на носитель

В то время как простой плёночной камере достаточно просто открыть затвор, а для этого достаточно нескольких несложных механических узлов.

Именно сложность объясняет цены цифровых камер в 5-10 раз превышающие цены аналогичных плёночных моделей. При этом среди простых моделей цифровые камеры часто проигрывают плёночным по качеству картинки.

Кроме всего прочего, сложность увеличивает число возможных неисправностей и стоимость ремонта.

Недостатки цветоделения

Наиболее распространённая ныне цветная плёночная фотография использует многослойную фотоэмульсию со слоями, чувствительными к разным диапазонам спектра видимого света.

Большинство же современных цветных цифровых камер используют для цветоделения мозаичный фильтр Байера или его аналоги. В фильтре Байера каждый датчик на фотосенсоре имеет светофильтр одного из трёх основных цветов и воспринимает только его.

Такой подход имеет ряд недостатков.

Потери разрешения

Полное изображение получается восстановлением цвета промежуточных точек в каждой из цветовых плоскостей. Интерполяция снижает разрешение изображения.

Снижение разрешения, отчасти, корректируется методом «нерезкой маски» — повышением контрастности на яркостных переходах изображения. В документации эта операция называется «коррекцией резкости» или просто «резкостью». Злоупотребление нерезкой маской приводит к появлению ореолов на переходах яркости и цвета изображения.

Зачастую «повышение резкости» выполняет сама камера. Но автоматическая коррекция резкости часто имеет слишком низкий порог чувствительности и усиливает цифровой шум. В камерах любительского уровня применение нерезкой маски можно запрещать, чтобы сделать необходимые коррекции на компьютере с параметрами, наиболее подходящими для каждого изображения, а также выполнить их в требуемом порядке.

Цветовые артефакты

Интерполяция может давать неверный цвет на границах и деталях изображения, соизмеримых по размеру с пикселем. Также цветовые артефакты могут образовывать муарные образования.

Искажения на границах призваны предотвратить улучшенные алгоритмы интерполяции, с отслеживанием цветовых переходов. Для подавления цветовых артефактов на готовых изображениях применяют алгоритм «низкочастотного фильтра», однако его применение делает мелкие детали изображения менее контрастными и резкими.

Предотвращением и подавлением цветовых артефактов и муара занимаются конвертеры RAW-файлов и программы редактирования фотографий.

Альтернативные схемы цветоделения

Недостатки фильтра Байера заставляют разработчиков искать альтернативные решения. Вот наиболее популярные из них.

Трёхсенсорные схемы

Данные схемы используют три сенсора и призму, разделяющую световой поток на составляющие цвета.

Основной проблемой трёхсенсорной системы является совмещение трёх получающихся изображений в одно. Но это не мешает использовать её в системах с относительно низким разрешением, например в видеокамерах.

Многослойные сенсоры

Идея многослойного сенсора, аналогичного современной цветной фотоплёнке с многослойной эмульсией, всегда владела умами разработчиков электроники, но до последнего времени не имела методов для практической реализации.

Разработчики компании Foveon решили использовать свойство кремния поглощать свет разной длины волны на различной глубине кристалла, расположив датчики основных цветов друг под другом на различных уровнях микросхемы. Реализацией этой технологии стали сенсоры X3, анонсированные в 2005 году.

Сенсоры X3 считывают полную гамму цветов на каждом пикселе, поэтому им несвойственны проблемы, связанные с интерполяцией цветовых плоскостей. У них есть собственные проблемы — склонность к шуму, межслойная хроматическая аберрация, и т. п. но эта технология еще находится в активном развитии.

Разрешение в применении к сенсорам X3 имеет несколько трактовок, отталкивающихся от различных технических аспектов. Так для модели «Foveon X3 10.2 MP»:

• Итоговое изображение имеет пиксельное разрешение 3,4 мегапикселя. Так понимает мегапиксель пользователь.
• Сенсор имеет 10,2 миллионов датчиков. Такое понимание использует компания в маркетинговых целях.
• Сенсор обеспечивает разрешение изображения соответствующее 7-мегапиксельному сенсору с фильтром Байера, т. к. не требует интерполяции и поэтому обеспечивает более чёткое изображение.

Дихроичное деление внутри пикселя

Создан прототип матрицы с цветоделением внутри пиксела, лишённой большинства недостатков всех вышеперечисленных методов цветоделения. Однако его чрезвычайно низкая технологичность препятствует его широкому внедрению.