Цифровая фотография

всех зарядов в смежные вертикальные сдвиговые регистры.

(2) Три колонки зарядов переходят скачком вниз по вертикальному сдвиговому регистру, перенося единичный заряд в горизонтальный сдвиговый регистр.

(3) После этого все заряды в горизонтальном регистре смещаются к его кромке для считывания до того, как из вертикальных регистров поступит следующий единичный заряд. Таким образом с матрицы систематически считываются все заряды.

Сдвиговый регистр

Пере- и недоэкспонирование ПЗС

Яркое освещение Слабое освещение

 Сигнал

 Шум

Чрезмерное переэкспонирование элемента ПЗС ведет к перетечке зарядов в смежные элементы или расплыванию изображения. За счет этого вокруг участков, дающих блики отраженного света, на изображении образуются засвеченные места. Расплывание изображения может происходить в элементах сдвиговых регистров, а также в фотоэлементах. Этим и объясняется то, почему по обеим сторонам переэкспонированного участка получается длинный след; перетечка зарядов может иметь место вдоль обеих сторон сдвиговых регистров. Когда уровни расплывания изображения в КЗС элементах будут разными, след станет цветным.

При недоэкспонировании заряды или сигналы, сформировавшиеся под действием света, будут слишком слабыми по отношению к вредному самовозникающему темновому току (шуму). Обычно при калибровке отдельных элементов производится удаление темнового тока из зарядов, образующихся под действием света. Однако в условиях слабой освещенности отношение сигнал-шум будет настолько малым, что точное считывание информации становится невозможным. Более всего подвержены действию шумов участки в тенях, что ведет к искажению окраски пикселей.

Чувствительность ПЗС связана с количеством зарядов, формируемых в отдельных элементах или центрах формирования деталей фотоизображения, в зависимости от имеющейся интенсивности освещения. Большие по размеру центры формирования деталей фотоизображения обладают большей чувствительностью, однако фотоаппараты имеют ограниченные возможности: произвести подкачку (swamp) их ПЗС, по аналогии с повышением чувствительности фотопленки, нельзя. Увеличение значений ISO достигается усилением более слабых сигналов, поступающих от каждого элемента, что можно сравнить с повышением чувствительности фотопленки (film pushing), снятой с заведомо более высоким значением ISO и проявленной специальным образом для достижения этой чувствительности. Если сигнал будет усилен после того, как он был преобразован в цифровой формат, диапазон передачи тональности, как и в фотопленке, уменьшится. Потеря разрешения из-за увеличения размера зерен, имеющая место в фотопленках, в ПЗС не происходит: расстояние (шаг = pitch) между соседними элементами – есть величина постоянная. Общий цветовой баланс сохранится, так как зависимость КЗС в ПЗС останется линейной.

Формирование зарядов в ПЗС имеет линейную зависимость. Чем больше время экспозиции или время интеграции (integration time = допустимое время накопления центрами формирования ПЗС деталей фотоизображения до того, как они считываются и преобразуются в цифровые данные), тем больше величина зарядов. Полностью заряженный или насыщенный элемент может вместить до 110000 электронов. Дальнейшее увеличение зарядов под действием света регистрироваться не будет, поэтому самые светлые из совещенных участков "выгорят" до белизны. Чтобы исключить такую проблему, заполнение элементов обычно производится до точки насыщения (saturation point). "Безопасно" приемлемый (full well) уровень насыщения установлен равным 90%, что составляет примерно 100000 электронов. Минимальное значение насыщения ISO для ПЗС, за которое зачастую принимается значение, близкое к ISO 100, основано на использовании этого приемлемого уровня. Сильное переэкспонирование обычно приводит к образованию расплывчатого изображения (blooming). Этому, как правило, препятствует использование уровней насыщения ПЗС. Существуют и другие способы недопущения выцветших изображений, один из которых заключается в том, чтобы отсечь заряды любые заряды, формируемые выше уровня насыщения ПЗС.

Использование более высоких значений ISO либо сокращает время интеграции (эквивалентно сокращению скорости затвора), либо уменьшает интенсивность освещения за счет уменьшения отверстия диафрагмы. В каждом элементе в пропорциональной степени аккумулируется меньше зарядов, поэтому для получения полного тонального диапазона их нужно усилить. Применение более высоких значений ISO позволяет исключить возможность образования расплывчатых изображений, но это ведет также к снижению качества изображений. При отсутствии достаточного количества света в элементах ПЗС образуется небольшой фоновый заряд, именуемый как темновой ток (dark current) или шум. Если уровень заряда (сигнала), сформированного под действием света, не намного выше, чем этот шум, изображение будет неприемлемого качества. Максимальное значение ISO (минимальный заряд) – это, таким образом, самое низкое приемлемое отношение "сигнал/помеха" (signal-to-noise ratio). При постоянной температуре шум растет в линейной зависимости от времени. Однако при увеличении темепературы примерно на 10оС шум возрастет в два раза. По этой причине важно, чтобы тепловые источники, например, студийное освещение, находились как можно дальше от цифровых фотоаппаратов. ПЗС, используемые для длительных экспозиций, могут иметь электронное охлаждение с помощью элементов Пелтиера.

Снижение разрешающей способности

Разрешение цифрового файла

Различное толкование термина "разрешение" может привести к довольно большой путанице. Когда изображение получено в цифровом формате с помощью сканера или цифрового фотоаппарата, файл содержит определенной количество пикселей в горизонтальном и вертикальном направлении. Описание одного пикселя не дает представления о том, насколько большим он будет при распечатке или выводе на дисплей с помощью мультимедийных средств или макета страницы. (Исключением являются средства для редактирования изображений; с их помощью зачастую отображаются пиксели фиксированного размера). Разрешение изображения в рамках файла кодируется с мощью единственного утверждения, например: "300 пикселей на дюйм". Всего лишь изменив это утверждение на "150 пикселей на дюйм", мы удвоим горизонтальные или вертикальные размеры каждого выведенного на дисплей или распечатанного пикселя, увеличив площадь изображения в четыре раза. В то же время, к добавлению в файл новых пикселей это не приведет. Размер файла данных, хранящегося в вашем компьютере, не увеличится. Если размеры пикселя увеличить слишком сильно, они будут видны с искажениями. Разрешение изображения должно соответствовать качеству выхода. Разрешение 72 пикселя на дюйм обычно используется при выводе на дисплей или крупнозернистой газетной распечатке, однако для высококачественного воспроизведения может потребоваться разрешение 300 пикселей на дюйм.

Интерполяция или повторная выборка изображения

Как же произвести распечатку или вывод на дисплей изображения с увеличением, не изменив его разрешения? Для этого нужно добавить по всему файлу новые пиксели через определенные промежутки таким образом, чтобы увеличенное изображение все-таки содержало прежнее количество пикселей на дюйм. Чтобы удвоить ширину изображения, нужно между двумя первоначальными пикселями установить по одному новому пикселю. Тональные значения для каждого нового пикселя формируются путем усреднения значений соседних пикселей. Такая интерполяция или повторная выборка изображения (interpolation èëè resampling) исключит возможность того, что будут различимы отдельные пиксели или ступенчатые кромки, однако каких-либо новых деталей изображение не получит. На самом деле, резкие детали станут нечеткими из-за процесса усреднения, поскольку его действие распространяется еще на несколько пикселей. Также уменьшается резкость высококонтрастных кромок. Удвоение ширины и высоты изображения при его повторной выборке ведет к созданию файла, который займет в четыре раза больший объем памяти.

Увеличение

Исходное изображение 200% без повторной выборки изображения (с изменением его разрешения) 200% с повторной выборкой изображения (с изменением его разрешения)

300 п/дюйм

(7,62 см х 5,08 см (3"х2") 900х600 пикселей

Размер файла (ГПЖЧ): 2,06 Мб 300 п/дюйм

900х600 пикселей

15,24 смх10,16 см (6"х4")

Размер файла (ГПЖЧ):

2,06 Мб 300 п/дюйм

1800х1200 пикселей

15,24 смх10,16 см (6"х4")

Размер файла (ГПЖЧ):

8,24 Мб

Интерполяция

Интерполяционные программы определяют, куда для повышения разрешения нужно добавить по изображению новые пиксели. Затем в них обычно используется один из трех методов решения вопроса о том, какого цвета должны быть новые пиксели.

Интерполяция по ближайшим смежным значениям является самым быстрым, но самым неточным способом, когда каждый новый пиксель будет иметь цвет самого близкого к нему пикселя. При билинейной интерполяции производится усреднение цветов двух пикселей, находящихся по обеим сторонам нового пикселя, чем обеспечивается более высокая точность цветопередачи. Самым точным, но длительным является метод бикубической интерполяции. В этом случае для определения цвета нового пикселя усредняются значения для всех пикселей, окружающих новый пиксель.

Разрешение фотоаппарата

Разрешение или разрешающая