Теоретические основы цифровой фотографии

Основы ввода изображения в компьютер. Оптическое изо­бражение объекта формируется в фокальной плоскости цифрового фотоаппарата (видео-, телекамеры) точно так же, как и в обычном фотоаппарате, т. е. посредством объектива.

В качестве световоспринимающих устройств в цифровых фото­камерах используются два типа фотоприемников (электронных световоспринимающих устройств): приборы с зарядовой связью (ПЗС) и светочувствительные комплементарные металл-оксид-полупроводники (КМОП-сенсоры). Они представляют две техноло­гии изготовления светочувствительных устройств. Их принципиаль­ное отличие состоит в том, что ПЗС является специализированным устройством, используемым для получения изображения, а КМОП-сенсор создан в соответствии с технологией, используемой не только для получения сенсоров, но и для изготовления процессо­ров, запоминающих устройств, систем фокусировки и многого дру­гого. Отличия состоят также в степени сложности устройства, функциональных возможностях, характеристиках получаемого изо­бражения, в способе регистрации (считывания) информации со светоприемника и т. д.

ПЗС дают наилучшее качество изображения по квантовой эф­фективности и низкому значению шума.

КМОП-сенсоры по сравнению с ПЗС отличаются пониженным энергопотреблением и высокой технологичностью. Разрешение КМОП-сенсоров, их светочувствительность, динамический диапа­зон и устойчивость к шумам ниже, чем у ПЗС. КМОП-сенсор объе-

диняет в едином устройстве светочувствительный датчик, аналого-цифровой преобразователь, электронный затвор, схему баланса белого и сжатия изображений.

Назначение светоприемника любого типа — преобразовывать свет (фотоны) в электроны, которые в дальнейшем оцифровываются. Рас­смотрим принцип действия светоприемника на примере ПЗС.

Светочувствительный сенсор для получения электронного изо­бражения представляет собой — микросхему (твердотельную пла­стинку) размером до 1 дюйма (25,4 мм), как правило, не более раз­мера кадра малоформатной камеры. На этой пластинке размещено большое количество мельчайших фотоэлементов. Пластинка пред­ставляет собой светочувствительный полупроводниковый кри­сталл, называемый также матрицей или чипом ПЗС (от английского слова — chip-пластинка), а находящиеся на ней мельчайшие фото­элементы — пикселами (от английского выражения picture element — элемент изображения). Чем больше этих элементов, тем выше разрешающая способность данных светоприемников.

Фотоприемники ПЗС бывают двух видов: ПЗС-матрицы и ПЗС-линейки (рис. 198).

ПЗС-магриц* ЛЗС-лиивйта

НИН И II I И ПН|

а б

Рис. 198. Два вида светоприемников в компьютерной фотографии: а — неподвижный; б — подвижный

ПЗС-линейка — «подвижный» светоприемник, т. е. изображение сканируется световоспринимающей поверхностью поэтапно, элемент за элементом по строкам и по всему кадру. Камеры с такими устрой­ствами могут работать только совместно с компьютером, используя для записи изображения жесткий диск. Цифровые камеры и сканеры с ПЗС-линейками обладают параметрами качества (например, разре-

шающей способностью), намного превосходящими камеры с ПЗС-матрицами. Вместе с тем, объект съемки при экспонировании должен быть абсолютно неподвижным в течение 0,5-3 мин., а освещение по­стоянным. Для оперативной съемки такие камеры непригодны.

ПЗОматрицы представляют собой «неподвижные» светоприем-ники, на всей площади которых объектив формирует оптическое изображение. Они предназначены для оперативной съемки.

ПЗС-матрицы в теле- и видеокамерах обычно имеют размер от ¹/₄ до 1 дюйма (6,5-25,4 мм). Их поверхность обычно разделена на строки (от 504 до 1200), в каждой из которых содержится большое количество светочувствительных элементов (от 756 до 1200). Еди­ничный элемент ПЗС представляет собой твердотельную структу­ру типа МОП-конденсатора (МОП — металл — оксид — полупро­водник). При его изготовлении на подложку из полупроводникового материала р-типа, например кремния (легированного микроприме­сями), покрытую слоем диэлектрика (оксида кремния), нанесены ряды тончайших и поэтому прозрачных металлических электродов. Электроды имеют очень малую площадь, например 5x5 мкм (10"^s метра), и образуют вместе со слоями оксида и полупроводника элементарные фотодатчики. Таким образом, попадая на матрицу светочувствительного полупроводникового приемника, оптическое изображение разлагается на отдельные элементы (пикселы). Числу датчиков в каждом ряду соответствует число элементов изображе­ния в строке (рис. 199).

Свет

10 Вольт

Слой Si02

Потенциальная яма

Электрод

Si с примесью р-тапа

Рис. 199. Конструкция и принцип работы светочувствительного элемента

ПЗС-матрицы

К светочувствительному элементу ПЗС прикладывается напря­жение, под действием которого в слое кремния под электродом образуется область пространства с пониженной энергией — потен­циальная яма, в которой скапливаются выбиваемые из светочувст­вительного оксидного слоя под действием света электроны. Появ­ление и накопление электронов, как и в обычной фотографии, представляет собой хорошо известный внутренний фотоэффект. Скорость, с которой электроны попадают в потенциальную яму, за­висит от интенсивности света. Элемент ПЗС ведет себя при этом как конденсатор, который в зависимости от количества падающего на него света заряжается в большей или меньшей степени. Через периодические промежутки времени производится построчное или покадровое измерение величины зарядов, накопленных в каждом полупроводниковом фотоэлементе, и на выходе ПЗС формируется сигнал, несущий информацию о яркостях точек изображения в виде изменения значения напряжения. Значения напряжения изменяют­ся в известных пределах пропорционально интенсивности света, падающего на определенный элемент датчика.

Рис. 200. Схема считывания информации со световоспринимающих устройств: а — ПЗС-матрицы типа; б — с КМОП-сенсора

Измерение величины зарядов и считывание информации с раз­ных светоприемников (для ПЗС-матрицы и КМОП-сенсора) будет отличаться. В матрицах типа ПЗС процесс считывания информации с ячеек происходит последовательно, что занимает довольно много времени (рис. 200).

В матрицах типа КМОП информация считывается индивидуаль­но с каждой ячейки, что позволяет обеспечить цифровой фотока­мере скорость съемки до 50 кадров в секунду. Каждый пиксел обо­значен координатами, что позволяет использовать матрицу еще и в качестве измерителя экспозиции, а также автоматической фокуси­ровки.

Рис. 201. Схема получения цветного изображения с помощью матриц: а — покрытых цветными фильтрами; б— многослойных матриц

Для получения цветных изображений ячейки покрывают цвет­ными фильтрами — в большинстве матриц каждый пиксел покрыт красным, синим или зеленым фильтром, в соответствии с извест­ной цветовой схемой RGB (Red-Green-Blue). 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. Каждый из фильтров пропускает излучения соответствующего цве­та. Полученное изображение состоит только из пикселов красного, синего и зеленого цвета (рис. 201).

В многослойных матрицах каждая ячейка воспринимает одно­временно три цвета, различая разноокрашенные цветовые потоки по длине волн.

Ввод изображения в компьютер можно разбить на отдельные этапы. Как и в традиционной фотографии, изображение объекта формируется объективом на светочувствительной поверхности ПЗС-матрицы. При этом происходит разложение изображения на отдельные точки, яркость которых соответствует уровню освеще­ния (рис. 202).

Рис. 202. Разложение изображения на отдельные точки

При вводе изображения измеряется распределение яркости в изображении с помощью ПЗС-матрицы или ПЗС-линейки.

Принципиальная схема измерения яркости представлена на примере съемки тоновой шкалы. Величина напряжения, измерен­ная светочувствительным датчиком, не прямо пропорциональна

яркости элемента изображения. Для обеспечения требуемой про­порциональности в устройствах ввода производится автоматиче­ская коррекция (рис. 203).

Относительная яркость, %

0 20 40 60 80 100

0,00

0,03

0,13

0,32

0,61 11,00

Исходные аналоговые значения, Диапазон измерения 0-1 В Гамма = 0,45

Входные значения (относительная яркость)

Рис. 203. Принцип ввода значений яркости изображения

Электрический сигнал, несущий информацию об изображении, или видеосигнал, в своем исходном виде является аналоговым сигналом. Для ввода такого сигнала в компьютер его преобразовы­вают в цифровой вид.

Аналого-цифровое преобразование представляет преобразо­вание видеосигнала (электрического сигнала), возникающего на выходе ПЗС, в кодовые импульсы, которые после дальнейшей об­работки приобретают цифровую форму и записываются на носите­ле информации. Операция «оцифровки» выполняется аналого-цифровым преобразователем, представляющим собой отдельный модуль — интегральную микросхему, располагающуюся на плате видеоввода изображений (рис. 204).

Аналоговый A'L1 преобразователь

I (ифровые

сигнал

/Л

данные 001 010 100...

V /"

Рис. 204. Принцип аналого-цифрового преобразования

При аналого-цифровом преобразовании осуществляются три основные операции: дискретизация исходного аналогового сигнала по времени, его квантование по уровням и кодирование.

Дискретизация состоит в преобразовании непрерывных аналого­вых данных, которые возникают при измерениях, в значения, которые могут быть выражены целыми числами (ступенчатые или «дискрет­ные»). Измеряемая величина, например, не может иметь значение 123,456789, а должна принять значение, равное только 123 или 124.

Возможный диапазон значений аналогового сигнала (соответст­вующий значениям яркостей объекта) делится на ряд уровней или интервалов. В цифровой фотографии весь диапазон сигналов яр­кости для черно-белых полутоновых изображений принято делить на 256 интервалов при восьмибитовом представлении изображе­ния (256 = 2⁸), для цветных при 24- и 36- битовом представлении на 16,7 млн интервалов и более. Это так называемые интервалы квантования.

Кодирование изображения представляет преобразование в дво­ичный код. Наибольшее число значений какой-либо величины, ко­торые могут быть выражены двоичным кодом, зависит от числа применяемых разрядов, то есть от числа битов (0 и 1) в комбина­ции, выражающей число. В общем случае число значений m какой-либо величины (например, число уровней интенсивности света),

которое можно выразить двоичным кодом, зависит от числа ис­пользуемых битов:

У

т = i

где m -п-

- количество значений яркостей (полутонов, цветов); ■ число используемых битов.

Основы Представления изображения в компьютере. Очень

важно понять, как видеоданные располагаются в памяти компьюте­ра. Значения яркости каждой точки изображения находятся в памя­ти компьютера, как и любая информация, в виде двоичного кода. Яркость каждого элемента полутонового изображения выражается численным значением.

Оцифрованное полутоновое изображение, например, состоит из 640x480=307200 таких численных значений. Они располагаются в памяти компьютера последовательно в виде матрицы чисел, где каждой точке изображения соответствует определенное значение яркости. При этом значение яркости элемента, расположенного в левом верхнем углу экрана, соответствует началу отсчета. Затем следует 639 элементов первой строки, за ними — 640 элементов второй строки и т. д.

При этом небольшой фрагмент изображения будет выглядеть следующим образом:

Элемент изображения

Строка 0 Строка 1 Строка 2 Строка 3

Строка 478 Строка 479

Такая таблица называется битовой картой (Bitmap). Слово «кар­та» — синоним слова «таблица», а слово «бит» — это минималь­ная единица информации (она имеет два состояния 0 и 1). Задавая номера строк и столбцов, можно однозначно идентифицировать эле­менты изображения. Если, например, указывается элемент (3, 0), то это самый левый элемент в строке 3 с численным значением 23.

Цветные изображения представляются в памяти компьютера аналогичным образом, только в этом случае каждый элемент изо­бражения определяется тремя компонентами сигнала для красной, зеленой и синей составляющей цвета.

Основы технологии печати изображений. Техника компью­терной печати состоит в нанесении тем или иным образом отдель­ных точек на бумагу. Выводные устройства (принтеры) формируют изображение из дискретных монотонно окрашенных точек. Практи­чески любое выводное устройство способно работать только в «двоичном» режиме: либо краска в данной точке есть, либо ее нет. Струйные и лазерные принтеры не в состоянии закрасить точку на­половину, чтобы она не была ни черной, ни белой, а имела какой-либо оттенок серого цвета. Исключение составляют только термо­диффузионные принтеры, которые требуют применения особой бумаги, и печатные машины глубокой печати; однако их доля в об­щем парке оборудования невелика (около 3-4 %).

Поскольку непосредственное воспроизведение полутонов струйными и лазерными принтерами невозможно, их, как правило, приходится имитировать. Это достигается с помощью метода, ко­торый называется растрированием. Как и в полиграфии, полутона передаются за счет растровой решетки, состоящей из черных точек и белых промежутков между ними, и чем больше размер черной точки, тем темнее получается изображение в данном месте. При этом расстояние между центрами точек остается неизменным, ме­няется только диаметр точки.

Растровая решетка печатается на бумаге под углом 45°. По­скольку глаз человека распознает наклонные линии значительно хуже, чем горизонтальные и вертикальные, такое расположение позволяет добиться более высокой однородности при имитации полутонов. На рис. 205 представлен увеличенный фрагмент отпе­чатанного изображения.

Рис. 205. Растровая решетка, расположенная под углом 45°

В компьютере операция растрирования выполняется автомати­чески при отправке изображения на печать.

Основы цифровой обработки изображений. В практике при­менения фотографии при фиксации и исследовании объектов циф­ровыми средствами довольно часто возникает необходимость кор­рекции качества получаемых изображений, повышения их информативности. На изображениях, полученных при низкой осве­щенности или в результате применения методов фотографирова­ния в невидимой зоне спектра, детали могут быть выявлены доста­точно слабо. Изображения, полученные в условиях недостаточного освещения, характеризуются невысоким контрастом. Невысок кон­траст выявляемых деталей при исследовании объектов — доку­ментов с выцветшими, вытравленными, залитыми текстами. Иногда при съемке следов получают изображение со слишком высоким контрастом, на котором потеряны детали в светах и тенях. Такие изображения можно улучшать цифровой обработкой, применяя ме­тоды изменения яркости и контраста, произвольно задавая вид градационной кривой, используя способы фильтрации деталей цифровых изображений. Возможности по обработке изображений

обеспечиваются программами — графическими редакторами, са­мым распространенным из которых является Adobe Photoshop.

Яркость и контраст цифровых изображений можно изменять двумя путями: линейно и нелинейно. При линейной коррекции яркость и кон­траст изменяется на определенную величину' по всей площади изо­бражения в пределах от —100 до +100. В программе Adobe Photoshop линейное изменение яркости и контраста осуществляется с помощью функции «Яркость/Контраст». Нелинейная коррекция яркости и кон­траста осуществляется с помощью функции «Кривые», имеющейся в программе Adobe Photoshop, при этом яркость и контраст цифровых изображений можно изменять, задавая вид градационной кривой.

Градационная кривая в цифровой фотографии — это произ­вольно моделируемая зависимость (график), применяемая для ус­тановления зависимости изменения входных и выходных значений яркостей точек изображения. Выходными значениями являются значения яркости, подвергнутые пересчету. Градационная кривая является компьютерным аналогом характеристической кривой тра­диционного фотоматериала. В простейшем случае градационная кривая представляет собой прямую линию, проходящую под углом 45°. Яркости изображения при этом остаются без изменений, и вы­ходные значения непосредственно соответствуют входным. Изме­няя вид градационной кривой, можно в широких пределах изменять яркости и контраст цифрового изображения (рис. 206).

о

О. <Е К

X X V Т

га

Ъ X Ч О

m

250-200-
100 J so-	d4 #

О 50 100 150 200 250

Выходные значений яркостей

Рис. 206. Градационная кривая

¹ В цифровых изображениях яркость каждого элемента или каждой из его цвето­вых составляющих выражается численными значениями от 0 до 255.

Фильтрация деталей цифровых изображений. Информация, содержащаяся в фотографическом изображении независимо от средств ее фиксации, подразделяется на различные по величине детали, которые составляют спектр пространственных частот объ­екта: низкие пространственные частоты (крупные детали) и высо­кие (мелкие детали).

Частотные свойства видеоинформации используют при цифро­вой обработке изображений.

Цифровая съемка состоит в измерении яркостей объекта свето­чувствительным датчиком. При этом, чем мельче детали объекта, тем чаще светочувствительные датчики замеряют максимальные и минимальные яркости на границах деталей, тем выше частота ана­логового сигнала. Аналогично, чем крупнее детали, тем более низ­кая частота сигнала им соответствует (рис. 207).

щ

ЛЛА

Время

0< S

X

о. с га X

Изображение

ПАДЛЛЯ

Ф

S

I ф

*