Этапы обработки цифрового изображения

Методика оценки качества изображения

задание: произвести оценку своей фотографии по предложенным алгоритмам.

Этапы обработки цифрового изображения

Цифровая съемка предполагает пять основных этапов, несущих потенциальную опасность исказить или вовсе утратить драгоценные данные:

1. Экспонирование. С него начинается процесс преобразования информации.
2. Оцифровка. Во время экспонирования свет, отраженный объектами сцены, проходит через оптическую систему камеры и попадает на светочувствительную матрицу. Под действием света ячейки матрицы вырабатывают электрический ток. Сигналы подвергаются оцифровке, результат которой впрямую зависит от качества электроники и выбранного режима работы аппарата. На обработке сказываются многие факторы: фоновый ток матрицы, тепловые шумы, интерполяция пространственного Байеровского фильтра, баланс белого, гамма-коррекция (а еще есть функции подавления шумов, повышения резкости, увеличения чувствительности и т. д.). Повлиять на оцифровку мы можем лишь отчасти. Основные факторы лежат в области технических решений, реализованных на аппаратном уровне.
3. Сохранение данных. Зафиксированное изображение должно быть сохранено в памяти цифровой камеры, проблема сводится к выбору подходящего графического формата. Практически все камеры предлагают как минимум два метода: форматы, использующие компрессию с потерями, и без нее. Любые потери с идеалистических позиций, безусловно, негативный факт, но зачастую они столь незначительны, что ими можно пренебречь, получив значительный выигрыш в числе снимков, помещающихся в память камеры.
4. Коррекция (редактирование). После получения снимка большинство пользователей желают, как правило, слегка его поправить: осветлить/затемнить, повысить резкость, исправить цветовой баланс и т. д. На этом этапе традиционно применяются различные пакеты растровой графики (Adobe Photoshop или простенький редактор, поставляемый с камерой). Но недостаточное понимание процессов редактирования приводит к последствиям более грозным, чем ошибки на всех предыдущих этапах вместе взятые.
5. Вывод на печать. Последняя возможность испортить изображение, даже если до сих пор все сделано правильно. Иногда в этом вина не столько пользователей, сколько разработчиков, но поверьте: всегда есть способ и эту ответственную процедуру выполнить с минимальными потерями.

Практически повлиять на результат съемки можно только одним способом — настройкой соответствующих параметров цифровой камеры. Рассмотрим установки, определяющие качество цифрового снимка.

1. Экспозиция. Параметры экспозиции, как и в традиционной фотографии, задаются выдержкой и диафрагмой, именно они определяют количество света, приходящее на светочувствительную матрицу. От правильного выбора этих характеристик зависит главное — сможет ли камера зафиксировать сюжет. Экспозиция определяет фактический тоновый характер снимка, что важно учитывать при последующей коррекции.

Поскольку нас интересуют цифровые преобразования, мы не станем подробно обсуждать установку выдержки или диафрагмы — большинство аппаратов имеют отличные автоматические функции. В ситуациях, когда автомат не справляется со сложными условиями съемки, профессионалы прибегают к брекетингу (съемке одной сцены с разными параметрами экспозиции). Пример дан на рис. 1. Обратите внимание: сначала изображение получилось слишком темным (в тенях часть деталей утеряна), затем слишком светлым (на потолке образовались области плоской засветки), и только последний вариант эффективно уложился в доступный тоновый диапазон.

Оценить качество экспозиции трудно, для этого надо как минимум видеть готовый результат. Многие делают выводы, глядя на экран компьютера — такая оценка субъективна и зависит от множества факторов (далеко не все знают, как правильно откалибровать монитор). Но существует и объективный метод анализа изображений — использование гистограмм, графиков распределения тонов в изображении — увы, далеко не все камеры имеют подобные функции. К счастью, гистограмму графического изображения можно посмотреть в любом растровом редакторе, например, Adobe Photoshop (команда Image, Histogram).

2. Чувствительность. По аналогии с традиционной фотографией в «цифре» есть возможность изменения чувствительности при съемке.

Установка чувствительности цифровой камеры в некотором смысле парадокс — ведь не меняется же сама CCD-матрица или ее физические свойства! За что же тогда отвечает этот параметр?

В традиционной фотографии чувствительность пленки определяет рабочие диапазоны освещенности (измеряется в единицах ISO). Пленка с чувствительностью в 100 единиц годится для съемки в солнечную погоду, но неважно ведет себя при съемке вечером или в сумерках — для этого существуют пленки 400, 800 и 1600 единиц. Большие значения этого параметра достигаются за счет увеличения размеров светочувствительных кристаллов в фотоэмульсии, соответственно, увеличивается зернистость снимков. Теоретически, можно всегда пользоваться пленкой с малой зернистостью, но тогда для съемки темных сцен потребуются слишком длинные выдержки, что недопустимо при экспонировании движущихся объектов.

В цифровой фотографии увеличение чувствительности означает включение электронных схем усиления сигнала. При этом вместе с сигналом мы получаем и увеличение нежелательных шумов (аналога зернистости), особенно заметных в областях теней и однородного цвета.

Несмотря на такое сходство обоих видов фотографии, пленка имеет значительное преимущество в качестве. Большинство современных цифровых аппаратов при чувствительности более 320 единиц часто дают неприемлемый результат, а полупроводниковая природа светочувствительной матрицы не позволяет надеяться на скорое исправление этого недостатка.

3. Фокусировка (резкость). Оптическая система — важнейшая часть фотоаппарата. От того, насколько в фокусе находятся важные детали сцены, впрямую зависит качество снимка.

Недостаточная резкость сцены определяется сугубо оптическими эффектами, поэтому независимо от причины (качества объектива или неверного определения дальности) результат одинаков. Никакие цифровые методы не создают деталей из ничего. Нельзя из сильно расфокусированного снимка получить нормальный. Но и слегка расфокусированный снимок ненамного лучше. Как правило, изображение поддается коррекции, если нерезкость не превышает одного пикселя. Поэтому далее мы будем говорить о случае, когда все оптические возможности камеры эффективно использованы.

Повышение резкости — полезная операция практически для всех изображений. Чтобы компенсировать проблемы объектива и субъективно улучшить качество изображения, производители большинства камер обязательно включают ее в свои аппараты. Причем имеются в виду именно цифровые методы. Обычно для повышения резкости используются либо высокочастотные фильтры на сверточных масках, либо фильтры нерезкого маскирования. Первые приводят к усилению контраста всех мелких деталей изображения, включая шумы, поэтому на аппаратном уровне обычно имеют ограниченное применение. Основным способом повышения резкости является метод нерезкого маскирования.

Выбор, перед которым стоит пользователь цифровой камеры, таков: повышать резкость во время съемки или делать это при обработке на компьютере. Все зависит от того, чего вы хотите: если нет желания связываться с компьютерной обработкой — доверьтесь фотоаппарату, стандартные средства дают довольно приличный результат. Если собираетесь доводить изображение вручную, лучше функцию повышения резкости выключить и выполнить ее самостоятельно в растровом редакторе, подобрав оптимальные параметры вручную. Некоторые аппараты повышают резкость, даже когда соответствующие установки выключены, поэтому целесообразно внимательно исследовать сделанные снимки.

Кстати, аппаратная функция повышения резкости иногда приводит к сомнительным результатам, если снимки сохраняются в формате JPEG, в котором сжатие происходит за счет небольших потерь высокочастотной информации, в частности, резких контуров объектов.

4. Учет условий освещения (цветовой баланс). Определение условий съемки в цифровых аппаратах сводится к настройке под так называемую цветовую температуру, обуславливающую цветность, которую приобретают все объекты сцены под действием внешнего освещения. Ошибки приводят к покраснению или посинению лиц на цифровом снимке. И хотя большинство аппаратов имеют алгоритмы автоматического определения цветовой температуры, эта функция по-прежнему остается ахиллесовой пятой современной цифровой фотографии.

Автоматика хорошо отрабатывает освещение однотипными источниками, но при комбинированном освещении (дневной или искусственный свет, лампы накаливания, вспышка) она просто беспомощна. Проблема настройки цветового баланса столь велика, что ей будет посвящена отдельная статья.

Мы рассмотрели основные установки, определяющие результат в цифровой фотографии, но главная сложность состоит не в том, как правильно их задать, а в том, что делать, если в конечном изображении что-то не так. Естественно, сначала надо понять, в чем проблема, поэтому перейдем к цифровым методам анализа.

Анализ гистограмм

Основным способом анализа изображений традиционно являются гистограммы. Они активно применяются для определения параметров экспозиции и проведения тоновой коррекции полученных фотографий.

Гистограмма — столбчатая диаграмма, отображающая количество пикселей изображения (по вертикали), имеющих заданный уровень яркости (по горизонтали). Поскольку пикселей может быть очень много, гистограмма при отображении обычно нормируется (рис. 2). Для тонкой настройки общей гистограммы яркости чаще всего недостаточно, поэтому строят гистограммы для каждого канала: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Каналы, полутоновые изображения в градациях серого, хранят информацию о распределении одного компонента цветовой модели RGB. Максимуму интенсивности в канале отвечают области высокого содержания соответствующей составляющей.

Гистограмма служит источником как количественной, так и качественной информации. Общий ее вид о многом поведает профессионалу. Она может использоваться для анализа тонового характера изображения, определения тоновых дефектов и даже условий съемки.

Для удобства описания областей гистограммы диапазон тонов делят на три части (рис. 2): тени (области низкой яркости, shadows), света (области высокой яркости, highlights) и средние тона (области средней яркости, midtones).

Многие производители осознают важность адекватного использования тонового диапазона и потому внедряют функцию отображения гистограммы будущего снимка в электронный видоискатель. Конечно, при съемке информация о распределении уровней яркости намного важнее, но, как будет показано ниже, и при дальнейшей обработке на компьютере она может быть достаточно эффективна.