CAMru.org
 СДЕЛАЙ_САМ =
= Природа* + Еда + Строительство + Энергетика
* (окружающая среда, "экология")
авторские права: CC ("копилефт лицензия")
оглавление сайта CAMru.orgоглавление вебсайта
фотографии с комментариями на Envirociety.org
 

 
 
 
 

Цифровая фотография и качество фотоаппаратов
Digital photography and quality of cameras
ЧАСТЬ 6


  << назад     вперёд >>  

Содержание статьи:
Главные недостатки цифровых фотокамер.
Проблема аберрации (цветные обводка, контуры границы контрастных областей фотоснимка).
Проблема шума на снимках.
Динамический диапазон цифровых фотоаппаратов.
Проблема выбора фото-камеры.

Самые важные технические характеристики цифровых фотоаппаратов, необходимые для получения качественных фотографий

Шум фотоаппарата ("цифровой шум матрицы")

О влиянии шума матрицы на реальное качество цифровой фотографии рассказано выше. Дополнительно обращаю внимание, что характер шума влияет на субъективное восприятие фотографии - нерегулярный шум с более-менее адекватными (красивыми, чистыми) цветами воспринимается человеком лучше.

Обычно шум никак не нормируется в Технических характеристиках (Технических данных) на цифровой фотоаппарат, нужно экспериментировать и сравнивать снимки самому, например, по приведённой выше технологии обнаружения и оценки шумов фотоаппарата и по объему JPEG-файла (о чём будет рассказано ниже).

Кстати, часто употребляется термин "цифровой шум", "цифровой цветной шум", но мне, как метрологу, этот термин кажется неуместным, ибо: основной шум в фотографии вносится аналого-цифровым преобразователем - светочувствительной матрицей; то есть это шум оцифровки.

Динамический диапазон цифрового фотоаппарата

Что такое динамический диапазон фотоаппарата:
Это соотношение минимальной и максимальной освещенности (яркости), адекватно отображаемой фотоаппаратом на одной фотографии (имеется в виду - каким-либо цветом между абсолютно белым и абсолютно чёрным).

Для высококачественных профессиональных и полупрофессиональных цифровых фотоаппаратов применяются 12 и даже 14 битовые светочувствительные матрицы-преобразователи, т.е. динамический диапазон составляет около 4000-16000. В компактных любительских фотоаппаратах реальный динамический диапазон значительно ниже, о чём Технические характеристики мудро умалчивают.

Шум (т.е. случайные погрешности измерения - преобразования точек изображения в цифровую форму) ограничивает точность измерения, а следовательно, и динамический диапазон. Собственно, цветные шумовые пятна - это результат попытки математической программы фотоаппарата изобразить то, что лежит за пределами реальной точности измерения (отображения) светочувствительной матрицей.

Приведу простую аналогию. Допустим, высокоточным цифровым фотоэкспонометром (light meter, exposure meter, photometer) с 5-разрядным десятичным дисплеем (что приблизительно соответствует 12 битовой светочувствительной матрице) измеряется освещенность некоей поверхности длиной 10 метров, один край которой освещен ярко (освещенность 5000 люкс), а другой тонет во мраке (освещенность 0,0001 люкс). Передвигаем фотоэкспонометр вдоль поверхности, и делаем замеры через каждый метр. Получаем ряд цифровых значений освещенности в люксах (lux, lx):
5000,1; 4499,8; 4000,1; 3500,0; 3000,0; 2499,9; 2000,0; 1500,0; 1000,1; 500,12; 0,0001.

Теперь возьмем дешёвый и технически безграмотно (с точки зрения реальных измерительных потребительских свойств) сконструированный фотоэкспонометр - но очень грамотно изготовленный с точки зрения маркетинга для неискушенного современного потребителя - тоже с 5-разрядным индикатором. Делаем ряд замеров в тех же точках и получаем:
5965,4; 3514,9; 4256,0; 3505,7; 2002,2; 3392,8; 1320,0; 998,4; 0,027; 1397,2; 97,784.

При повторении замера получим некие другие цифры, но тоже со случайной погрешностью +-1000 люкс для каждой точки.

Попробуем отобразить результаты измерения графически, в градациях серого - для каждого фотоэкспонометра отдельно, но на одной картинке.

Для высокоточного экспонометра абсолютно белый цвет (в системе RGB: десятичное число [dec, decimal] 255-255-255 или шестнадцатеричное число [hex, hexadecimal] FFFFFF) соответствует максимальному полученному значению освещенности 5000,1 люкс, а абсолютно чёрный цвет (0-0-0 dec или 000000 hex) - минимальному результату измерения, 0,0001 люкс.

Замечу, что шестнадцатеричные числа цветов здесь написаны почти как это принято в HTML-формате (там для обозначения 16-ричного числа применяется знак "#", т.е. чёрный цвет пишется как #000000). В программах для обработки изображений для указания цвета в шестнадцатеричной форме знак "#", как правило, не используется.

Для графического отображения показаний высоко-маркетингового экспонометра абсолютно белому цвету соответствует значение результата измерения 5965,4 люкса (максимальное значения ряда), а абсолютно чёрному цвету - 0,027 люкс. Для этого диапазона яркостей вычисляем значения для остальных значений и получаем ряд оттенков серого:
FFFFFF; 979797; B7B7B7; 979797; 565656; 929292; 393939; 2B2B2B; 000000; 3C3C3C; 040404,
что и представляем графически на рисунке:

Иллюстрация цифрового шума матрицы фотоаппарата.

Иллюстрация цифрового шума матрицы фотоаппарата.
Верхняя полоса - освещенность.
Средняя полоса - высокоточные замеры в одиннадцати точках - т.е. модель цифровой картинки высокоточной светочувствительной матрицы фотоаппарата.
Нижняя полоса - низкоточные замеры - модель низкоточного цифрового изображения.

 

Из иллюстрации видно, что фотографическое отображение замеров высокоточного экспонометра (средняя полоса) похоже на объект измерения, но отображение замеров низкоточного экспонометра (нижняя полоса) даёт очень приблизительное и искаженное представление об объекте.

Светочувствительная матрица так же, как и фотоэкспонометр, измеряет интенсивность света, но не в одной точке, а в миллионах точек. Поэтому приблизительно то же самое происходит и с качеством изображением, если сравнивать фото-файлы, полученные с высокоточной и низкоточной фотоматрицы.

Теперь проследим, что получается с цветами, если матрица шумит. Допустим, что мы измеряем интенсивность света от той же поверхности, что и в вышеприведенном опыте с экспонометрами, но теперь ставим перед собой задачу получить информацию и о цвете. Хотя в действительности поверхность серая, но мы хотим. Для получения информации о цвете нам нужно в каждой точке измерения сделать три замера освещенности, для системы цветности RGB - с красным, зеленым и синим светофильтрами. Для оттенков серого в идеальном случае результаты замеров со светофильтрами должны быть равны между собой.

Чтобы опыт был ближе к действительности, примем что случайная погрешность идеально-маркетингового фотоэкспонометра (шум) составляет +-300 люкс во всех точках. Таким образом, получаем три ряда случайных цифр-результатов замера, выраженных в шестнадцатеричной системе счисления:
Y=DEC2HEX((X-300)+RAND()*(300*2);2)
где:
X - истинное значение результата измерения в данной точке; отрицательные значения приравниваются к нулю;
Function RAND() - Random number in the range 0 to 1.
(Функция - в обозначениях табличной программы.)

Полученные значения масштабируем между минимумом освещенности (0 люкс - Hex 00) и максимумом освещенности (4921 люкс - Hex FF).

0 m 1 m 2 m 3 m 4 m 5 m 6 m 7 m 8 m 9 m 10 m
FD E8 C3 C1 90 8F 72 53 3F 24 00
FF EF DD A9 AA 8E 5D 4A 34 12 06
FE E0 DA B7 A1 75 63 40 30 0D 08

Отображая результаты графически, получаем:

Иллюстрация цветного цифрового шума матрицы фотоаппарата.

Иллюстрация цветного цифрового шума матрицы фотоаппарата.
На фоне показана освещенность эталонной полосы - см. начало "Иллюстрация цифрового шума матрицы фотоаппарата".
Верхняя полоса А - визуальное отражение освещенности, в системе RGB:
линии AR, AG, AB соответственно Red - красная, Green - зелёная, Blue - синяя цветовые составляющие оттенков серого.
Средняя полоса В - то же, но построенное по модели шумящего светочувствительного сенсора фотоаппарата.
(Более противные цветосочетания и специально придумать трудно.)
Нижняя полоса состоит из двух линий N и NJ. Линия N - модель шума, построенного фильтром программы обработки изображений GIMP - Filter RGB-noise (Independent RGB, Red 0.3, Green 0.3, Blue 0.3). Линия NJ - то же, но предварительно записанное в JPEG формате с качеством 50%.

 

На первый взгляд, между N и NJ разницы нет, но если вглядеться в картинку, то на линии NJ видны большие пятна и орнаменты, вместо случайного цветного шума. То есть, если случайный цветовой цифровой шум можно принять за зерно фотохимической фотографии (зерна фотоплёнки), то JPEG-пятна никак нельзя считать таковыми.

Увеличенный фрагмент изображения Иллюстрация цветного цифрового шума матрицы фотоаппарата - линии N и NJ, масштаб 300%.

Увеличенный фрагмент изображения "Иллюстрация цветного цифрового шума матрицы фотоаппарата" - линии N и NJ, масштаб 300%.

 

Удивительно, не правда ли? На оригинальной картинке мы почти не замечаем никакой разницы между PNG-форматом и JPEG-форматом изображения. Но при увеличении в три раза мы находим огромную разницу между простейшей картинкой, изображающей однотонные прямоугольники с шумом, в формате PNG и тем же, но в JPEG.

Теперь представим себе, что происходит с реальной, реально-шумной, цифровой фотографией, записанной в формате JPEG. Цифровой цветовой шум низкокачественной светочувствительной матрицы увеличивает объем JPEG-файла по сравнению с гладким - не-зашумлённым изображением и в то же время алгоритм упаковки-оптимизации файла JPEG вносит в изображение нелинейные искажения - как по цветопередаче, так и по геометрии.

Таким образом, фактор шума матрицы-преобразователя картинки (по сути - точность измерения в точках изображения) накладывает ограничения на динамический диапазон и разрешающей способности фотоаппарата.

Еще о дефектах цифровых фотографий:
Почему на цифровых снимках образуются цветные пятна и раскрашиваются тонкие линии

При обработке файлов, полученных с цифрового фотоаппарата, дефекты-искажения, вызванные цветовым шумом матрицы и математикой JPEG-упаковки, "вылезают" во всей красе: на контрастных границах тонких линний на изображении появляются цветные полосы. Механизм их образования легко понять, проведя мысленный опыт с изображением "Иллюстрация цветного цифрового шума матрицы фотоаппарата" и его увеличенным фрагментом.

Что же касается цветных пятен, то это может быть резутьтатом совместной деятельности шумящей матрицы и математики фотоаппарата, пытающейся скрыть шум и сделать картинку красивее. Особенно заметны "фото-разукрашки" на мелко-фактурных периодических фрагментах или, скажем, на фотографиях людей, одетых в мелко-полосатую или клетчатую одежду.

Чёткость границ, гладкость изображения и шум

Естественно, что четкость границ на зашумленном изображении невозможна - скажем, вместо прямой линии получается некая ломаная. Но матобеспечение фотоаппарата пытается анализировать возможные границы и искусственно выстраивать по ним некое подобие чёткой границы. При этом возникает дополнительное искажение изображений, если кадр отличается от стандартного, под который приспособлен софт фотоаппарата (software).

Но если программа фотоаппарата пытается обнаружить границу в шумной картинке, то может возникнуть и ошибка - там, где должен быть плавный переход, программа нарисует четкую границу, а формат JPEG подчеркнет ее еще больше (да еще и расцветит концентрическими ореолами). Так как человеческий глаз лучше всего распознаёт оттенки серого, то на фото чаще всего заметны круги и полосы на неравномерно освещенных серых гладких поверхностях - стенах и т.п.

То есть, требование чёткости границ вступает противоречие с гладкостью изображения. Можно сказать, что программа обработки изображения фотоаппарата страдает закономерным психическим расстройством - в условиях недостаточности достоверной информации от матрицы требуется различить где граница, а где плавный градиент.


  << назад     вперёд >>  
 

постоянный интернет-адрес статьи
"Цифровая фотография и качество фотоаппаратов"
http://camru.org/articles/digital_photography_and_cameras_quality.html

ЧАСТЬ 6
"Самые важные технические характеристики цифровых фотоаппаратов, необходимые для получения качественных фотографий"
http://camru.org/articles/digital_photography_6_digitalcameras_specifications_and_images.html

 

 
 
 
 

 
фотографии с комментариями на Envirociety.org
 
оглавление сайтаоглавление сайта
CAMru.org
 
 


 
 
| о CAMru.org | | единомышленникам | | созидательные (креативные) мнения и идеи | | cвя3b |
 
Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 License.
CAMru.org, 2008