ВРЕМЯ ПРИШЛО

ШУМЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ

О шумах в цифровом изображении на страницах нашего журнала мы говорили уже не раз. Это важная характеристика цифрового изображения, но проявляется она только при высоколиниатурной печати на большом формате и при просмотре кадра на мониторе. При печати на современном струйном принтере шумы маскируются случайным (стохастическим) разбросом мелких разноцветных чернильных капель.

Шумы цифровых изображений, полученных по гибридной (с помощью фильм-сканера) технологии, примерно соответствуют шумам ПЗС-матриц ЦФК, если сравнивать аппараты (сканер и ЦФК) одинаковых классов.

Уровень шумов ЦФК определяется, в первую очередь, размером приемной ячейки ПЗС-матрицы. При одинаковом разрешении с увеличением размера матрицы шумы уменьшаются. Особенно заметны шумы в тенях (L=10-25) в синем канале изображения, чувствительность которого самая низкая.

На графике приведены зависимости шумов ЦФК, используемых в тесте, от чувствительности матрицы (от усиления сигнала). Как видно, в любительских камерах при ISO 400-500 уровень шумов в синем канале достигает предельно высоких значений приблизительно —6 дБ (примерно 50 процентов от полезного сигнала). При ISO 100 уровень шумов приемлемый, особенно в каналах R и G (приблизительно —20 дБ, 10 процентов).

Исключительно низкий уровень шумов дает ПЗС-матрица профессиональной ЦФК Nikon D1, что неудивительно при размере матрицы более дюйма и умеренном разрешении. Даже при ISO 800 у нее шумы в синем канале меньше, чем у любительских камер при ISO 100 (приблизительно — 15 дБ). Да и среди профессиональных ЦФК Nikon D1 задает новый отраслевой стандарт по этому параметру.

Аналогом шумов ПЗС-матрицы у пленок является зернистость, которая при высоких разрешениях сканирования (2400 dpi) проявляется в полной мере. Уровень шумов от зерна сравним с уровнем тепловых шумов фотоприемника. Бесспорным лидером этого соревнования является ПЗС-матрица камеры Nikon D1.

Рассматривание крупномасштабного портрета с этой ЦФК в синем канале (в градациях серого) просто ошеломляет новизной ощущений! На лице отчетливо видны мельчайшие поры, не затертые ни шумами, ни зерном фотопленки. Именно синий канал формирует тени в телесных тонах на полноцветном изображении. Проработка деталей в синем канале существенно улучшает игру светов и теней на портретном снимке.

ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН

Инструментальное определение динамического диапазона ЦФК — дело довольно сложное, да и аппаратная база для таких измерений должна быть профессионального уровня. Но появившийся на некоторых ЦФК высокого класса режим съемки с ручной установкой экспопараметров позволяет обойтись без дорогостоящего оборудования. В качестве измерительного прибора можно использовать саму фотокамеру!

Методика измерений заключается в последовательной съемке равномерно освещенной поверхности с разными выдержками при фиксированной диафрагме. Современные ЦФК позволяют задавать выдержку с шагом в 1/3 ступени в диапазоне приблизительно от 1/10000 секунды до нескольких секунд.

На перенесенных в компьютер кадрах проводятся измерения яркости L по центру кадра в одной и той же точке изображения. При этом результат измерений не зависит ни от равномерности освещения объекта, ни от степени виньетирования изображения. По результатам измерений строится характеристическая кривая на графике, где по оси Х откладывается логарифм выдержки E=lg(t), а по оси Y — яркость (светлота) L. Поскольку освещенность снимаемого объекта постоянна, то величина Е с точностью до постоянного слагаемого соответствует логарифму яркости снимаемого объекта.

Рассматривая сделанную серию кадров как один общий, можно определить диапазон воспроизводимых яркостей АЕ (динамический диапазон). За границу воспроизводимых яркостей принимаются значения Е, соответствующие изменению L на единицу от крайних значений в светах и тенях. Шаг дискретизации Е при шаге выдержки в 1 /З ступени составляет 0,1, а ошибка дискретизации — 0,05 соответственно. Учитывая, что динамический диапазон определяется по двум значениям Е, и полагая точность отработки выдержки приблизительно15 процентов (D E=lg(1,15) @ 0,06), получим, что точность определения динамического диапазона ЦФК по предлагаемой методике составляет приблизительно 0,1D (0,05² +.0.05² + 0,06²)^0,5.

Как видно на графике, динамический диапазон ЦФК любительского класса Olympus C-2500L составляет приблизительно 2,2D, а профессиональной камеры Nikon D1 — примерно 2,5D. Для 36-битной камеры Nikon диапазон в 2,5D достаточно скромен, но такова воля разработчиков, зато шумы изображения у этого аппарата «эксклюзивно» низкие (см. врезку).

Стоит подчеркнуть, что ЦФК Nikon D1 позволяет передавать в базовое приложение и несжатые изображения в формате Raw (48 бит). У таких изображений динамический диапазон был бы существенно выше, но, к сожалению, 45—50 несжатых кадров в 48-битном представлении отнимают львиную долю ресурсов компьютера, да и 64-мегабайтной карты памяти для таких измерений явно недостаточно. Измерен полный динамический диапазон ЦФК, который включает и линейную, и нелинейную часть характеристической кривой.

Обращает на себя внимание несимметричное расположение точки серого. Измеренная яркость средне-серого тона, по которому производится точечный экспозамер при съемке, зависит от точности экспосистемы ЦФК (она может отличаться даже у разных экземпляров одной модели) и составляет L-50 у Nikon и L-60 у Olympus. В сторону светов граница воспроизводимых яркостей удалена от этой точки приблизительно на 0,8-0,9D (2,7-3 ступени диафрагмы), а в сторону теней — на 1,4-1,6D (4,7-5,3 ступени диафрагмы).

Влияние тоновой коррекции изображения на диапазон воспроизводимых яркостей показано в разделе экспокоррекция. Корректировка изображения позволяет проявить детали в тенях и тем самым расширить эффективный динамический диапазон вплоть до теоретического предела, определяемого разрядностью АЦП.

Напомним, что для 24-битной ЦФК он составляет 2,4D, а для 36-битной — 3,6D. Это неудивительно, ведь даже при L<1 в глубоких тенях еще присутствуют пиксели, отличные от абсолютной точки черного. При L=1 значения R, G и В составляют от 3 до 7, в зависимости от цветового баланса.

Однако такая корректировка неминуемо приведет к повышению уровня шумов в тенях. Производители ЦФК устанавливают баланс между шумами и динамическим диапазоном на оптимальном (с их точки зрения) уровне, оставляя нарушение этого баланса на совести пользователя. Некоторые ЦФК позволяют влиять на динамический диапазон в процессе съемки косвенно, через изменение настроек яркости и контрастности изображения.

А вот расширить диапазон воспроизводимых яркостей за счет светов не удастся — там просто нет деталей, отличных от белого цвета. Это связано с конструктивными особенностями ПЗС-матриц. Для предотвращения силового пробоя электросхемы при превышении определенного порога лишние электроны, образующиеся в приемной ячейке за счет фотоэффекта, просто «сливаются» на массу через специальные предохранительные цепи. Этим обстоятельством вызвано характерное «обрезание» характеристической кривой ЦФК со стороны светов.

РЕАЛЬНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ

На иллюстрации приведены фотографии радиальной миры, сделанные разными ЦФК и фотоаппаратом Nikon F90 с автофокусным объективом Nikkor 24-120/3.5-5.6 на слайдовую пленку Fujichrome Sensia II 200. Фотография на пленку сделана в полкадра, вследствие этого полученное разрешение надо увеличить вдвое (точнее в 2,05 раза). Для сканирования слайда использован профессиональный барабанный сканер с разрешением 4000 dpi, заведомо превышающим реальное разрешение изображения на пленке.

В результате в сопоставимых с ЦФК условиях по идентичной методике на 35-мм пленке получено реальное разрешение около 2250 штрихов по короткой стороне кадра. Подчеркнем, что это именно реальное разрешение, учитывающее качество оптики, разрешающую способность пленки, юстировку камеры, уровень вибраций при срабатывании затвора и проч. При использовании более дешевой оптики разрешение было бы заметно ниже.

Среди ЦФК наибольшее реальное разрешение (приблизительно 1300 штрихов по короткой стороне кадра) — у трехмегапиксельной камеры Casio. Причем это значение получено по сжатому в формате JPEG файлу. ЦФК Casio позволяет записывать и файлы без сжатия в формате TIFF, правда, эта возможность не документирована. Реальное разрешение несжатых файлов, как правило, приблизительно на 5 процентов выше, чем сжатых (несильно) в алгоритме JPEG.

Можно констатировать, что сегодняшний уровень реального разрешения трехмегапиксельных ЦФК отстает от малоформатного пленочного примерно в два раза (точнее, в 1,7 раза). Расчеты показывают, что если бы использовалась пленка с разрешением 1 50-160 лин. /мм (Fujicolor Superia 100), то коэффициент «отставания» был бы приблизительно 2,05 при разрешающей способности объектива 100 лин./мм и менее 2 — при 80 лин./мм. Это не меняет расклада. Тенденция такова, что разрешение ЦФК следует закону Мура, то есть увеличивается в 2 раза каждые 18 месяцев. Время прихода момента истины можете подсчитать сами.

Но и того, что есть сегодня у ЦФК, вполне достаточно для фотографического Творчества с большой буквы.

ЭКСПОКОРРЕКЦИЯ

Не имея запаса по передержке (допустимая погрешность -2 - +0EV), «цифровая фотопленка» вынуждает пересмотреть практические навыки традиционной экспонометрии. Даже располагая только центровзвешенным экспозамером, сюжеты в контражуре - с солнцем в кадре или без - лучше снимать, доверяясь экспоавтоматике камеры. Практически всегда темную картинку удается в дальнейшем «вытянуть» в графическом редакторе. Внося привычную для подобной ситуации умеренную экспокоррекцию +1EV непосредственно при съемке, можно неосторожно потерять детали в светах (в пейзажных сюжетах - на небе), что хорошо видно на приведенных гистограммах.