Виртуальная школа фотографии. Урок 2

Урок 1. История развития фотографии

Матрица вместо пленки

Принцип работы цифровой камеры заключается в фиксации светового потока матрицей и преобразования этой информации в цифровую форму. В рамках этого урока мы рассмотрим основные характеристики матриц цифровых фотокамер.

Типы матриц в современных цифровых камерах

В современных цифровых фотоаппаратах используются матрицы двух типов:

1. CDD-матрица (ПЗС-матрица);
2. CMOS-матрица (КМОП-матрица).

Я не буду сейчас углубляться в технические подробности отличия этих матриц, чтобы не нагружать читателей лишней информацией. Скажу лишь только, что раньше матрицы CCD являлись более чувствительными и способными выдавать более качественные изображения, чем матрицы CMOS. На сегодняшний день с развитием технологий, в частности, с повышением качества кремниевых пластин и улучшением схемы усилителя, качество изображения, полученного на цифровых фотоаппаратах с матрицей CMOS, не уступает, а часто и превосходит качество изображения, полученного на цифровых фотоаппаратах с матрицей CCD.

Кроме того, существуют различные вариации на тему основных типов матриц, указанных выше: SuperCCD, Live-MOS, X-Trans CMOS и т.п. Ну и «экзотические» матрицы типа Foveon, которые устанавливает в свои камеры Sigma.

Размеры матриц цифровых камер

Физический размер матрицы это одна из важнейших характеристик, влияющих на качество получаемых фотографий. Физический размер матрицы — это ее геометрический размер – длина и ширина в миллиметрах.

Перечень матриц по типоразмерам:

• Матрицы размера 1/3.2″ – самые маленькие матрицы, соотношение сторон 4:3, физический размер 3.4 * 4.5 мм.
• Матрицы размером 1/2.7″ , соотношение сторон 4:3, физический размер 4,0 * 5,4 мм.
• Матрицы размера 1/2.5″, соотношение сторон 4:3, то есть 4,3 * 5,8мм.
• Матрицы размера 1/1.8″ , соотношение сторон 4:3, геометрический размер 5,3 * 7,2 мм.
• Матрицы размера 2/3″ , соотношение сторон 4:3, физический размер 6,6 * 8,8 мм.
• Матрицы размера 4/3″ , физический размер 18 * 13,5 мм, соотношение сторон 4:3.
• DX, APS-C формат, соотношение сторон 3:2, размер около 24 * 18 мм. Матрицы таких размеров наиболее часто встречаются в цифровых зеркальных фотоаппаратах.
• Полнокадровая матрица размера 36 * 24 мм, соотношение сторон 3:2, по размерам соответствующая классическому 35 мм кадру (3:2).
• Среднеформатная матрица формата 60 * 45 мм, соотношение сторон 3:2.

Чтобы было понятнее, проиллюстрирую возможные размеры матриц, рисунком ниже:

Разрешение матриц цифровых камер

Матрица цифрового фотоаппарата состоит из множества отдельных светочувствительных элементов – пикселей, каждый такой элемент формирует одну точку на изображении.

Пиксель — элементарная частица цифрового изображения. Сокращение от английских слов «picture element». Массив пикселей составляет цельное изображение подобно тому, как из отдельных элементов складывается мозаика. Каждый пиксель несет информацию о том, какова яркость и цвет изображения в данной точке.

Разрешение цифровой фотокамеры это максимальный размер изображения в пикселях, которое можно получить при помощи этой цифровой фотокамеры. Для краткости, производители цифровых фотокамер перемножают ширину и высоту изображения в пикселях и выражают в мегапикселях (миллионах пикселей). Такое обозначение не несет информации о соотношении ширины и высоты изображения, но поскольку это соотношение для цифровых фотокамер примерно одно и то же, оно дает приблизительное представление о размерах изображения. Например, разрешение в 2,1 мегапикселя может составлять 1600х1200 пикселей, а разрешение в 5 мегапикселей может составлять 2560х1920 или 2560х1704.

Светочувствительность матрицы цифрового фотоаппарата

Понятие светочувствительности появилось с началом развития фотографии.  Светочувствительность – это способность фотографического материала образовывать изображение под воздействием света. Чем выше светочувствительность, тем при меньшей интенсивности света мы сможем получить нормальное изображение.

Когда появились цифровые фотоаппараты, для их матриц, которые являются аналогом фотопленок, также стали применять понятие светочувствительности. Для цифровой техники светочувствительность матрицы определяют в единицах ISO.

Светочувствительность матрицы – это восприимчивость к свету ее элементов, ее пикселей, из которых складывается изображение. Светочувствительность каждой ячейки матрицы есть величина неизменная. Возникает вопрос: Как же мы можем «легким движением руки» менять эту величину в камере? А мы ее и не меняем. Мы всего лишь усиливаем электроникой сигнал с ячейки матрицы. Вот тут-то и возникает недостаток такого изменения светочувствительности.

Когда мы усиливаем сигнал с ячейки матрицы, мы усиливаем все, что от нее получаем. А получаем мы от нее кроме полезного изображения еще и собственный «шум», т.е. помехи, вызванные нагревом элемента и др.

Форматы записи цифровых файлов

Если в случае с пленкой мы получали слайд, то в цифровом фотоаппарате на выходе мы получаем файл, который имеет определенный формат. Давайте рассмотрим эти форматы подробнее.

RAW (англ. raw — cырой, необработанный) — формат данных, содержащий необработанные (или обработанные в минимальной степени) данные, что позволяет избежать потерь информации, и не имеющий четкой спецификации. В таких файлах содержится полная информация о хранимом сигнале. Данные в RAW-файлах могут быть несжатыми, сжатыми без потерь или сжатыми с потерями.

В RAW-файлах цифровых фотоаппаратов обычно содержатся:

• «сырые», первичные данные с матрицы;
• метаданные — идентификация камеры;
• метаданные — техническое описание условий съёмки;
• метаданные — параметры обработки по умолчанию;
• один или несколько вариантов стандартного графического представления («превью», обычно JPEG среднего качества), обработанные по умолчанию.

RAW-файл иногда называют «цифровым негативом». Как и любой другой формат, RAW имеет как свои достоинства, так и недостатки. Рассмотрим их подробнее.

Достоинства:

• Гораздо больше полутонов за счет большего числа бит в цифровом представлении сигнала позволяют сильнее корректировать снимки без появления дефектов (таких, как постеризация).
• Цветовой охват RAW включает все воспринимаемые камерой цвета. Цветовой охват системы sRGB, в которую фотоаппараты обычно конвертируют данные с сенсора при сохранении в JPG, не содержит ни одного чистого спектрального цвета.
• Возможность некоторой коррекции экспозиции после съемки.
• Возможность коррекции баланса белого, контраста, насыщенности и яркости с тем же и лучшим качеством, как если бы соответствующие настройки были установлены во время съемки.
• Возможность коррекции недостатков объектива (виньетирование, хроматические аберрации) на неинтерполированном кадре.
• При сохранении снимка не вносятся искажения преобразования.
• Преобразование может быть более качественным, поскольку выполняется мощным процессором компьютера без ограничений по времени, а не сравнительно слабым процессором камеры, который обязан обработать снимок быстро.

Недостатки:

• Формат представлен множеством несовместимых видов.
• Нет возможности просмотра файлов на бытовых устройствах и компьютерах без предварительной конвертации.
• Требуется время на преобразование в форматы для Интернета или печати.
• Больший объем файлов, чем при сохранении в JPEG.

JPEG (англ. Joint Photographic Experts Group, по названию организации-разработчика) — один из популярных графических форматов, применяемый для хранения фотоизображений и подобных им изображений. Файлы, содержащие данные JPEG, обычно имеют расширения.jpeg, .jfif, .jpg, .JPG, или .JPE.

Алгоритм JPEG в наибольшей степени пригоден для сжатия фотографий и картин, содержащих реалистичные сцены с плавными переходами яркости и цвета. Наибольшее распространение JPEG получил в цифровой фотографии и для хранения и передачи изображений с использованием сети Интернет.

JPEG (как и другие методы искажающего сжатия) не подходит для сжатия изображений при многоступенчатой обработке, так как искажения в изображения будут вноситься каждый раз при сохранении промежуточных результатов обработки.

TIFF (англ. Tagged Image File Format) — формат хранения растровых графических изображений. TIFF стал популярным форматом для хранения изображений с большой глубиной цвета. Файлы формата TIFF, как правило, имеют расширение .tiff или .tif.

TIFF — это стандартный файловый формат, поддерживаемый большинством графических программ создания и обработки изображений, а также программными пакетами верстки. Способность к расширению, позволяющая записывать растровые изображения с любой глубиной цвета, делает этот формат весьма перспективным для хранения и обработки графической информации.

Аппаратно независимый формат TIFF, на сегодняшний день, является одним из самых распространенных и надежных, его поддерживают практически все программы на РС и Macintosh так или иначе связанные с графикой. TIFF является лучшим выбором при импорте растровой графики в векторные программы и издательские системы. Ему доступен весь диапазон цветовых моделей от монохромной до RGB, CMYK и дополнительных цветов Pantone. TIFF может сохранять обтравочные контуры, Альфа-каналы, другие дополнительные данные.

DNG (Digital Negative Specification) — открытый формат для RAW файлов изображений, используемый в цифровой фотографии. Разработан компанией Adobe Systems с целью создать стандартный формат для RAW файлов изображений вместо множества различных форматов разных производителей фотокамер.

Спецификации формата DNG компания Adobe предоставляет бесплатно, поэтому любой производитель цифровой фототехники может включить поддержку данного формата.

DNG является расширением формата TIFF 6.0 и совместим со стандартом TIFF-EP. Файл формата DNG может хранить в себе одно главное изображение, несколько изображений меньшего разрешения/качества для предпросмотра и метаданные. Рекомендованное расширение для файлов «.DNG».

Формат DNG поддерживает также сжатие данных без потерь.

Хотя DNG был изобретен Adobe и поддерживается во всех приложениях компании, есть и другие производители (Pentax, Leica и Hasselblad), которые приняли этот стандарт и используют его в своих камерах, как основной формат файлов RAW.

Преимущества формата DNG:

• Нет необходимости беспокоиться о «родном» для камеры формате RAW – будучи один раз преобразованным в DNG он будет работать с любым программным обеспечением, читающим DNG.
• Как правило, занимает меньше места относительно RAW.
• Изменения, производимые со снимком, будут записаны непосредственно в файл, что избавляет от дополнительных XMP-файлов. Это упрощает управление файлами.
• Способен хранить полный оригинальный RAW-файл, который при необходимости может быть позже извлечен вручную.

Недостатки формата DNG

• Не все программы могут открывать DNG-файлы, в том числе и те, что работают с другими RAW-форматами (хотя в последнее время эта ситуация исправляется). Сюда же относится и программное обеспечение от производителей камер (например, Nikon Capture NX).
• Преобразование RAW в DNG занимает дополнительное время.
• Удаляет некоторые мета-данные (например, активный D-Lighting и Picture Control) из RAW-файлов, что делает невозможным получение этих данных из DNG в будущем.
• Поскольку все изменения записываются в DNG-файл, вы должны создавать резервную копию всего файла каждый раз при внесении в него изменений.