Цифровая фотография

соприкасающихся пикселей (pixels) (элементов изображения), которые обычно представляют собой квадраты. В результате цифровые изображения всегда имеют вид квадратов или треугольников. Они имеют четыре основных характеристики: разрешение, размеры, битовую глубину и цветовую модель.

Разрешение

В данном случае разрешение характеризуется только количеством пикселей на дюйм (п/дюйм) или на сантиметр (п/см). Общее количество пикселей, регистрируемых цифровым фотоаппаратом или цифровым устройством записи на фотопленку, обычно называют их «разрешением», даже в том случае, если пространственный эталон не приводится. Высокое разрешение битовой матрицы не гарантирует резкости изображения: детали изображения могут быть все же размытыми. Тем не менее гарантируется то, что отдельные пиксели имеют настолько малые размеры, что увидеть их невооруженным глазом при кратности зумирования 1:1 невозможно. При слишком малом разрешении диагональные линии и кромки объекта будут казаться рваными или ступенчатыми. Чтобы исключить избыточную информацию, разрешение нужно соотнести с устройством, которое дает на выходе изображение (см. «Искажение разрешения»).

"Раскрашивание" с помощью цифр

Размеры

Растровые массивы могут включать только целые пиксели, поэтому говорить о размерах какого-либо изображения в пикселях гораздо точнее, чем о размерах в дюймах или сантиметрах. При делении количества пикселей в изображении на его разрешение получим физический размер. Изображение размером 2400х1200 пикселей с разрешением 300 п/дюйм имеет печатный размер 8x4 дюйма.

Преобразователи аналоговых/цифровых сигналов Битовая глубина

и уровни серого

Увеличение силы света, воспринимаемого элементом ПЗС, вызовет линейный рост числа электрических зарядов в пределах данного элемента. Преобразователь аналоговых/цифровых сигналов производит выборку или разбиение бесконечного потока информации об освещенности в виде аналоговых зарядов на целый ряд ступеней или уровней серого. Число уровней зависит от конструкции преобразователя. Производя считывание двоичного кода в виде нулей и единиц, трехбитовый преобразователь ограничит весь диапазон тональности, как видно из рисунка, восьмью уровнями серого. 8-битовый преобразователь может произвести деление на 256 уровней серого, 10-битовый – на 1024, 12-битовый – 4096 и 14-битовый – 16384 уникальных уровней, которые могут быть считаны. Обработка информации в компьютерах производится группами, кратными 8 битам, называемыми байтами. Большинство компьютерных программ только поддерживают изображения, в которых на цветовой канал используется один байт (серая шкала = 8 битам; КЗС = 24 битам). До того, как дойти до конечного сокращения до 8 битов для хранения сверхдискретных данных из 10, 12 или 14 битов нужно обеспечить использование одного байта на цвет (серая шкала = 16 битам; КЗС = 48 битам). Поэтому некоторые из этих 16 битов (65536 уровней) будут резервными, не содержащими никакой информации об уровнях серого.

Битовая глубина

Чтобы создать цифровое изображение для использования в компьютерных системах, самые разнообразные аналоговые заряды, генерируемые ПЗС, должны быть преобразованы в конечную серию ступеней. Этот процесс, выполняемый аналого-цифровым (А/Ц) преобразователем, называется квантованием (quantization). Каждой ступени присваивается уникальный двоичный номер, которым характеризуется определенный тон или уровень серого. Если черно-белый клин тональности разбить на очень большое количество ступеней, переходы между тонами могут быть различимы. При этом происходит слишком большая потеря информации о тональности, приводящая к делению на полосы или градационные ступени (posterization).

Максимальное число уровней серого, поддерживаемых большинством программ для обработки изображений на компьютере, составляет 256. Обычно этого достаточно для того, чтобы напечатанный черно-белый клин тональности воспринимался равномерно, несмотря на то, что некоторые устройства для вывода изображений не в состоянии полностью использовать или воспроизводить этот диапазон. Для нумерации 256 уровней серого потребуются восемь двоичных цифр (битов). Большинство А/Ц преобразователей, встроенных в цифровые аппараты, имеют большую по сравнению с этой битовую глубину (bit depth). Они делят аналоговую информацию на 1024 (10 битов), 4096 (12 битов) или ровно 16384 (14 битов) уровней серого. Этот начальный процесс представления дискретных данных (superimposing) может улучшить качество изображения даже в том случае, если количество уровней серого придется уменьшить до 256.

Восприятие глазом разной интенсивности освещения не соответствует линейной характеристике ПЗС; он более чувствителен к тональным изменениям при более низких, чем при высоких уровнях освещенности. Это может быть учтено, когда тональный диапазон дискретных значений уменьшается до 256 уровней. Чтобы избежать градационного деления изображений, любые изменения диапазонов тональности должны всегда производиться на дискретных данных перед уменьшением до 8 битовой глубины. Изменение контраста или освещенности применительно к 8 битовой глубине приводит к потере информации за счет ограничения некоторых из имеющихся 256 уровней серого до черного или белого.

Как отмечалось в предыдущем разделе «Динамический диапазон», многие ПЗС регистрируют диапазон тональности, превышающий 8 делений диафрагмы. Каждое деление диафрагмы соответствует удвоению диапазона тональности. Чтобы не допустить чрезмерной потери информации о тональности во время А/Ц преобразования, количество имеющихся двоичных цифр должно соответствовать, по крайней мере, общему диапазону делений диафрагмы. Для ПЗС, который может зарегистрировать 9 делений диафрагмы, понадобится 10-битовый А/Ц преобразователь (большинство преобразователей имеют битовую глубину с четным числом). Избыточное количество дискретных данных при дроблении 9 делений диафрагмы на 14 битовую глубину даст лишь незначительное улучшение качества конечного изображения. Большая битовая глубина А/Ц преобразователя может означать более высокое качество, однако это справедливо только в том случае, когда ПЗС обеспечивает регистрацию достаточно широкого динамического диапазона и может передавать к преобразователю точные аналоговые данные с низким уровнем помех (см. «Вопросы светочувствительности»).

Цветовая модель

Уровень серого для каждого пикселя в монохромном или полутоновом изображении обычно описывается одним 8 битовым числом. Пиксели в КЗС изображении требуют 8 битовое число для каждого цветового канала, предлагая гамму из более, чем 16 миллионов цветов (256 х 256 х 256). Результирующий 24 битовый файл займет в три раза больше места в памяти по сравнению с монохромным изображением. Когда КЗС (RGB) файл преобразуется в ГПЖЧ (CMYK) файл для цветной фотопечати, из предыдущих трех каналов создаются четыре 8 битовых канала, образующие файл с 32-битовой глубиной.

Принцип действия чувствительных элементов

Чувствительные элементы в виде приборов с зарядовой связью регистрируют общую интенсивность освещения, но лучше всего они воспринимают красную, а не синюю часть спектра. В действительности, они также хорошо воспринимают инфракрасные волновые колебания. При использовании соответствующих фильтров фотоаппараты могут снимать только цветные, черно-белые или инфракрасные изображения. При увеличении температуры в элементах ПЗС могут формироваться паразитные заряды (помехи), ухудшающие восприятие реального освещения (см. «Вопросы светочувствительности»).

В аппаратах для получения цветных снимков для регистрации и затем воспроизведения видимого спектра применяются красные, зеленые и синие фильтры, распределяющие свет по КЗС каналам. Чтобы не допустить чрезмерного количества красного, весь ПЗС перекрывается инфракрасным светофильтром. Компенсация пониженной чувствительности к синему достигается либо во время обработки считываемых показаний, либо увеличением времени для формирования зарядов в синих элементах. Если человеческое восприятие адаптируется к освещению с разной цветовой окраской, то фильтры обеспечивают такое восприятие, каким обладает глаз к дневному свету. Регулировка баланса белого вместе с системами управления светом (СМС) обеспечивают компенсацию для источников освещения с разной цветовой гаммой (см. «Свойства света»).

Чувствительные элементы с линейной матрицей считывают или сканируют строки информации поперек изображения. Трилинейные матричные массивы в сканирующих аппаратах включают три ряда элементов ПЗС, перед которыми установлены КЗС фильтры. Полноцветное изображение формируется по строкам. Матричные массивы, известные также как площадные массивы, захватывают всю сцену за долю секунды. Для формирования полноцветной информации для этой сцены, возможно, потребуется считывание для матрицы не один раз. В некоторых случаях для мгновенного восприятия всех цветов используются три матричных массива. Стоимость изготовления матричных массивов выше, чем трилинейных, в связи с тем, что процент брака при их производстве значительно выше.

Во многих портативных аппаратах для мгновенного захвата полноцветных изображений используют один матричный массив, допускающий возможность перемещения объекта съемки. Реальное разрешение в этих аппаратах уменьшается, поскольку элементы ПЗС попеременно перекрываются красным, зеленым и синим фильтрами. Промежутки между одинаково окрашенными элементами заполняются путем установки усредненного значения или интерполирования считываний света. Информацией об этом процессе интерполяции определяется качество результатов, однако в большинстве случаев четкие высококонтрастные детали, например, черный текст, будут окружены цветной