Формирование изображения в цифровой камере (Imaging in a digital camera)

Автор: | 24.07.2018

Введение. Камера-обскура
От камеры обскура к камере с линзой
Матрица камеры
Процессор камеры
Искажения объектива и способы их устранения
Форматы изображений
Сжатие изображений

Введение. Камера-обскура

Рассмотрим простейшую камеру (Камера-обскура)

От каждой из точек объекта отражаются лучи света. Отверстие в преграде  пропускает только лишь один луч. Если не установить преграду, то на пленке получим бессмысленное изображение. Отверстие в преграде называется апертурой или диафрагмой. В реальности оно пропускает больше одного луча. При этом точка отображается на пленке пятном. Если диафрагма слишком большая, то изображение получается размытым. Однако, при чрезмерном уменьшении диафрагмы меньше света проходит на пленку, а также появляются дифракционные эффекты.

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий.

От камеры обскура к камере с линзой

Как хорошо было с камерой-обскура: не надо фокусировать, не надо думать о глубине резкости, хочешь изменить угол обзора — просто измени расстояние между отверстием и плоскостью изображения.

Но фотографам не хватает света, и решили увеличить отверстие (диафрагму), а чтобы не потерять резкость, поставили линзу.

NN –главная оптическая ось, пересекающая центры сферических поверхностей
Пучок параллельных прямых пересекается в главном фокусе F
f – главное фокусное расстояние,
u,v – сопряженные фокусные расстояния
Фокусное расстояние — это расстояние от задней (или второй) главной точки объектива до его фокуса при вхождении в объектив пучка света, параллельного его оптической оси.

Луч, проходящий через центр линзы, не преломляется! Камера с линзой работает точно как камера-обскура, но собирает больше света!

Только часть объектов оказываются «в фокусе». Фокусировка камеры обеспечивается смещением матрицы относительно линзы (изменение сопряженного фокуса v), либо изменением степени преломления в линзе (изменение главного фокусного расстояния f).

Резко очерченными будут только те точки изображения, лучи которых образуют небольшое «пятно рассеивания»

Изменяя диафрагму можно изменять размер «пятен рассеивания» и одновременно увеличивать глубину резкости (интервал, на котором объект находится приблизительно в фокусе). При этом маленькая диафрагма уменьшает количество света – приходится увеличивать выдержку (время экспозиции).

Основной характеристикой объектива, определяющей его способность давать ту или иную освещенность фотослоя, является светосила. Объектив тем светосильнее, чем больше его отверстие и чем короче его фокусное расстояние. Эта взаимосвязь выражается величиной относительного отверстия, которая показывает, сколько раз диаметр отверстия укладывается в фокусном расстоянии объектива. В фотографии принято следующее деление объективов по светосиле:

  • Сверхсветосильные 0,7-2
  • Светосильные 2,8-4,5
  • Малосветосильные 5,6 и менее.

Матрица камеры

Размер матрицы и ее расстояние до линзы определяют угол обзора (field-of-view) камеры

Матрица состоит из множества светочувствительных ячеек – пикселов. Каждая ячейка при попадании на нее света вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный интенсивности светового потока. Если  используется информация только о яркости света, картинка получается черно-белой, а чтобы она была цветной, ячейки покрывают цветными фильтрами.

Размер пикселей в камере не должен быть меньше минимального размера точки объектива. Чтобы получить наилучший эффект от использования цифровой камеры с матрицей, содержащей мелкие пиксели, не следует использовать дешевую оптику.

Матрица (сенсор, фотодатчик) это устройство фотокамеры, где получается изображение. Собственно, это аналог фотоплёнки, или плёночного кадра. Как и в нём, лучи света, собранные объективом, «рисуют» картинку. Разница в том, что на плёнке эта картинка хранится, а на датчиках матрицы под действием света возникают электрические сигналы, которые обрабатываются процессором камеры, после чего изображение сохраняется в виде файла на карту памяти. Сама матрица фотоаппарата представляет собой специальную микросхему с фотодатчиками-пикселями (фотодиодами). Именно они при попадании света генерируют сигнал, тем больший, чем больше света попадает на этот датчик-пиксель.

В большинстве матриц каждый пиксел покрыт красным, синим или зеленым фильтром (только одним!) в соответствии с известной цветовой схемой RGB (red-green-blue). Почему именно эти цвета? Одной из гипотез, объясняющих цветовое зрение человека, является трехкомпонентная теория, которая утверждает, что в зрительной системе человека есть три типа светочувствительных элементов. Один тип элементов реагирует на зеленый, другой тип — на красный, а третий тип — на синий цвет.

На матрице фильтры располагаются группами по четыре, так что на два зеленых приходится по одному синему и красному. Так делается потому, что человеческий глаз наиболее чувствителен именно к зеленому цвету. Световые лучи разного спектра имеют разную длину волн, поэтому фильтр пропускает в ячейку лучи лишь своего цвета.

Итак, полученная картинка состоит только из пикселов красного, синего и зеленого цвета – именно в таком виде записываются файлы формата RAW (несжатый формат). Для записи файлов JPEG и TIFF процессор камеры анализирует цветовые значения соседних ячеек и рассчитывает цвет пикселов. Этот процесс обработки называется цветовой интерполяцией, и он исключительно важен для получения качественных фотографий.

Процессор камеры

Процессор камеры отвечает за все процессы, в результате которых получается картинка. От процессора и программного обеспечения зависят качество фотографий и скорость работы камеры.

Процессор определяет параметры экспозиции,  решает, какие из них нужно применить в данной ситуации.

Термин «Экспозиция» означает количество света, попадающего на светочувствительный фотоматериал за определенный промежуток времени. Три основных параметра, влияющие на экспозицию, — это чувствительность, выдержка и диафрагма.

Искажения объектива и способы их устранения

При переходе от камеры обскура к камере с линзой появились различного рода оптические аберрации, обусловленные неидеальной формой линзы:

Аберрация (лат. aberratio «заблуждение, уклонение, удаление) — ошибка или погрешность изображения в оптической системе, вызываемая отклонением луча от того направления, по которому он должен был бы идти в идеальной оптической системе.

Оптические аберрации — это отклонения от совершенной математической модели. Важно отметить, что они не вызваны какими-либо физическими, оптическими или механическими дефектами. Скорее, они могут быть вызваны самой формой линзы или размещением оптических элементов внутри системы из-за волновой природы света.

Некоторые типы аберраций могут возникать при отображении электромагнитного излучения одной длины волны (монохроматические аберрации), а другие типы возникают при отображении электромагнитного излучения двух или более длин волн (хроматические аберрации). Как правило, если объектив обладает большими аберрациями, то их проще характеризовать величинами геометрических аберраций, а если малыми, то на основе представлений волновой оптики.

Различают 5 видов аберраций:

  1. Сферическая аберрация
  2. Кома
  3. Хроматическая аберрация
  4. Астигматизм
  5. Дисторсия

Сферические аберрации возникают у линз со сферической поверхностью. Лучи, проходящие через точки на линзе, находящиеся дальше от оси, преломляются сильнее, чем лучи, расположенные ближе к оси. Это приводит к распределению фокусов вдоль оптической оси.

Сферическая аберрация уменьшается  использованием специального типа линз с несферической поверхностью. Однако, такие линзы дорогие в изготовлении.

Поэтому сферическую аберрацию уменьшают диафрагмированием (1) либо использованием специального типа составной линзы (2)

Изменяя диафрагму можно изменять размер «пятен рассеивания» и одновременно увеличивать глубину резкости (интервал, на котором объект находится приблизительно в фокусе). При этом маленькая диафрагма уменьшает количество света – приходится увеличивать выдержку (время экспозиции).

Для количественной характеристики сферической аберрации вводится понятие продольной аберрации. Продольные аберрации собирательной и рассеивающей линз противоположны по знаку. Это позволяет, комбинируя такие линзы, уменьшить сферическую аберрацию.

Коматическая аберрация или Кома (от др.-греч. κόμη — волосы) — лучи, приходящие под углом к оптической оси собираются не в одной точке. Каждая такая «точка» образует объект с ярким центром и хвостом, напоминающим хвост кометы. Отсюда и название «Coma»

Хроматические (цветовые) аберрации – это оптические искажения, вызванные разными углами преломления световых волн разной длины. У красного цвета – максимальное преломление, у фиолетового – минимальное

Хроматические аберрации могут быть уменьшены ахроматической линзой, состоящей из двух сортов стекла (крон и флинт)

Астигматизм (от греч. а — отрицательная частица и stigme — точка), недостаток оптической системы, получающийся вследствие неодинаковой кривизны оптической поверхности в разных плоскостях сечения падающего на неё светового пучка.

Сферическая волновая поверхность после прохождения оптической системы деформируется и перестаёт быть сферической. Пучок лучей, исходящий из светящейся точки, после прохождения через оптическую систему собирается не в одной точке, а в двух взаимно перпендикулярных отрезках прямой линии, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Изображения в промежуточных сечениях будут иметь вид эллипсов; одно из них будет иметь вид круга.

Дисторсия (от лат. distorsio — искривление) — аберрация оптических систем, при которой коэффициент линейного увеличения изменяется по мере удаления отображаемых предметов от оптической оси. При этом нарушается геометрическое подобие между объектом и его изображением.

На резкость дисторсия влияет незначительно, но в значительной мере определяет как передаются на изображении прямые линии.

  Barrel distortion             Pincushion distortion             Complex distortion

Наиболее распространены два типа дисторсии: бочкообразная (barrel) и подушкообразная (pincushion). Реже встречаются искажения похожие на «усы», являющиеся на самом деле сочетанием двух других – «бочки» по центру, переходящей в «подушку» ближе к краю (волнообразная дисторсия).

Дисторсии возникают в результате изменения линейного увеличения, обеспеченного оптикой, по полю изображения. Иными словами, световые лучи, проходя через центр линзы, сливаются в точке, расположенной дальше от линзы, чем лучи, которые проходят через ее края. Появлению бочкообразной дисторсии, как правило, способствует применение минимального значения зума, подушкообразной – соответственно, максимального. Наиболее явно искажение проявляется при использовании широкоугольных объективов.

Дисторсия наиболее заметна при работе с параллельными линиями и объектами, расположенными у края кадра, где эффект максимален. Большинство зум-объективов страдают «бочковыми» искажениями на широком конце, когда в середине изображения образуется «выпуклость».

Дисторсия присуща в первую очередь объективам с переменным фокусным расстоянием (зумом), и тем сильнее, чем больше кратность объектива.

Упрощенно: если диафрагма расположена вблизи линзы, то дисторсия будет незначительна, при увеличении расстояния от кольца диафрагмы до линзы, увеличивается и дисторсия. Именно поэтому изменение позиции элементов объектива по отношении к диафрагменному кольцу при изменении фокусного расстояния в зум-объективе или при фокусировании объектива может увеличить или уменьшить количество геометрических искажений.

Искажение зависит не только от объектива. Оно также варьируется в зависимости от вашей близости к объекту съемки. Дисторсию можно характеризовать как изменение увеличения, даваемого объективом при увеличении угла, под которым объектив видит предмет.

Большинство геометрических аберраций можно снизить при помощи регулировки диафрагмы. За счет уменьшения диаметра диафрагмы изменяется размер «пятен рассеивания» и одновременно увеличивается глубина резкости (интервал, на котором объект находится приблизительно в фокусе)

Но пользоваться этой возможностью нужно аккуратно.  При маленькой диафрагме уменьшается количество света – приходится увеличивать выдержку (время экспозиции). К тому же, чрезмерное диафрагмированные приводит к росту величины дифракции.

Дифракция – это оптический эффект, ограничивающий детальность снимка вне зависимости от установленного разрешения изображения. Причиной его возникновения является рассеивание светового потока при прохождении через диафрагму. Многие новички, стремясь увеличить глубину резкости, прикрывают диафрагменное отверстие до такой степени, что достигнутая резкость перекрывается сглаживающим действием дифракции. Этот эффект принято называть дифракционным пределом. Знание его величины позволяет избежать проблем с детализацией изображения.

Общий вывод. Объектив без аберраций, к сожалению, невозможен. Исправление одного типа аберраций потребует добавления еще нескольких элементов, что может усилить другой тип аберраций, и так до бесконечности – замкнутый круг.

Аберрации присутствуют даже у самых лучших объективов. Zeiss 21/2.8, возможно, самый резкий из известных широкоугольных объективов, отметился волнообразной дисторсией. Nikon 28/1.4, классический объектив, серьезно подвержен коме. Canon EF 50/1.2 L USM обладает выраженной кривизной поля. Но это совсем не повод для того, чтобы смешать эти объективы с грязью. Нет идеальных объективов – у каждого свои слабости. Их нужно знать, чтобы свести к минимуму недостатки и подчеркнуть сильные стороны. Например, аберрации наиболее явны по краям и в углах кадра.  Портреты в овальных рамах – один из способов «убрать» испорченные аберрациями углы и края кадра.

Форматы изображений

После того, как съемка произведена, остается не менее важная задача – сохранить полученное фото на карте памяти. Желательно сделать это с максимальным качеством, не теряя никакой информации, полученной при съемке. Сегодня большинство фотокамер позволяют сохранять снимки в двух принципиально разных форматах – RAW и JPEG. RAW – это сырая, никак не обработанная информация с матрицы, записанная в файл. Предполагается, что дальше с файлом RAW фотограф будет работать самостоятельно, конвертируя его на компьютере для получения готового фото. JPEG – это уже фактически готовая фотография.

Некоторые, обычно более дорогие, фотоаппараты, предлагают сохранять фотографии в «сыром» (RAW) формате. Для сырого формата, нет каких-то определённых стандартов. они отличаются от производителя к производителю. Сырой формат содержит все данные, полученные непосредственно с фоточувствительного элемента, перед тем, как программное обеспечение фотоаппарата изменит баланс белого или что-то ещё. Сохранение фотографии в сыром формате, позволяет вам более качественно изменять такие настройки, как баланс белого, уже после того как фотография сохранена на ПК. Большинство профессиональных фотографов используют сырой формат, потому что он даёт им максимум гибкости в допечатной подготовке. Обратная сторона гибкости — «сырые» фотографии занимают чрезвычайно много места на карте памяти.

Сжатие изображений

Сжатие изображений — применение методов сжатия данных к цифровому изображению. Благодаря снижению избыточности данных изображения, удаётся повысить эффективность хранения и передачи изображений.

Сжатие изображений бывает с потерями и без потерь. Методы сжатия без потерь используются для архивации изображений, перед применением каких либо фильтров (кадрирование, изменение размера, корректировка цвета и т.д.), тогда как методы с потерями, особенно с высокими коэффициентами сжатия, вносят искажения в изображение. Методы с потерями хорошо подходят для естественных изображений, таких как фотографии в приложениях, где небольшие (иногда незаметные) искажения изображения вполне приемлемы для достижения заданной степени сжатия. Сжатие с потерями удобно использовать для публикации фотографий в интернете.

JPEG — формат сжатия, который несколько ухудшает качество, чтобы уменьшить размер файла, занимаемого фотографией.

TIFF — широко принятый формат изображений. Обычно, в формате TIFF фотоаппараты сохраняют несжатые снимки, или сжатые по алгоритму без потерь.

PNG — расширяемый, переносимый формат хранения растровых изображений без потерь, с хорошим сжатием.

 

 

 

Автор: Николай Свирневский