Достоинства и проблемы цифровой фотографии

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Основные достоинства и проблемы цифровой фотографии, в сравнении с традиционным фотопроцессом с применением фотоплёнки.

Статья составлена по положению на начало 2006 года, отдельные факты со временем могут измениться и/или потерять свою актуальность.

[править] Достоинства

[править] Быстрое получение результатов

Полученное изображение можно увидеть значительно быстрее, чем при традиционном фотопроцессе. Как правило, камеры позволяют просмотреть изображение на встроенном ЖК-экране или присоединённом мониторе сразу после съёмки (а в незеркальных и некоторых зеркальных камерах — даже до съёмки). Кроме того, изображение можно довольно быстро загрузить на компьютер, а уже там рассмотреть во всех деталях.

Быстрое получение результатов способствует раннему выявлению неустранимых ошибок (и пересъёмке) и лёгкому обучению. Что удобно как начинающим, так и любителям/профессионалам.

[править] Готовность для применения на компьютере

Цифровая фотография является самым быстрым и дешёвым способом получения изображений для последующего использования на компьютере — в веб-дизайне, загрузке изображений (фотографий людей и объектов) в базы данных, создания художественных работ на базе фотографии, измерений и т. п.

Наример, при подготовке загранпаспортов современного образца человек фотографируется цифровой камерой. Его фото и распечатывается на паспорте, и заносится в базу данных Интерпола.

При традиционном фотопроцессе, перед обработкой на компьютере необходима оцифровка изображения, требующая дополнительных средств.

[править] Экономичность и простота

Процесс цифровой съёмки не требует расходных материалов (пленки) и средств/материалов для фотопроцесса (проявления изображения на пленке). Поэтому неудачные кадры, если не учитывать трудозатраты, не стоят фотографу ни копейки. Точнее, стоят очень мало, так как цифровые носители, в основном, являются многоразовыми с большим ресурсом перезаписи.

Более того, весь процесс от съёмки до получения отпечатков (или превью) может быть проделан, не выходя из дома или студии, и всего лишь требует наличия компьютера и фотопринтера. Возможности и качество отпечатков (по сравнению с обработкой в лаборатории), в этом случае, будет зависеть только от возможностей техники и умения оператора.

Всё большее распространение получают студии моментальной фотографии, состоящие из цифрового фотоаппарата, компьютера и цифровой фотолаборатории. Фотографии, сделанные в такой студии, лучше и по качеству изображения, и по долговечности, чем традиционное моментальное фото типа Polaroid.

Некоторые камеры и принтеры позволяют получать отпечатки без компьютера (камеры и принтеры с возможностью прямого подключения или принтеры, печатающие с карт памяти), но этот вариант, как правило, исключает возможность коррекции снимка и имеет другие ограничения.

[править] Гибкое управление параметрами съёмки

Цифровая съёмка позволяет гибко управлять некоторыми параметрами, которые, в традиционном фотопроцессе, жёстко привязаны к фотоматериалу пленки — светочувствительностью и цветовым балансом (также, называемым балансом белого).

Светочувствительность (в единицах ISO по аналогии с фотоматериалами) может быть выставлена вручную, или быть определена камерой автоматически, применительно к снимаемой сцене.

В традиционном фотопроцессе используют два вида плёнки разного цветового баланса (для дневного света и электрического освещения), и корректирующие светофильтры.

Цифровая камера может изменять цветовой баланс очень гибко — его можно выбрать согласно освещению, позволить камере определить автоматически или точно настроить по серому образцу.

[править] Широкие возможности постпроцесса

В отличие от традиционного фотопроцесса, в цифровой фотографии существуют очень широкие возможности коррекции и внесения дополнительных эффектов уже после съёмки.

Вы можете поворачивать, кадрировать, монтировать, изменять параметры изображения (целиком или на отдельном участке), производить ручную или автоматическую коррекцию дефектов несравненно проще и качественней, чем при съёмке на плёнку.

[править] Преимущества цифрового представления

Так как оригинал изображения при цифровой съемке является массивом чисел, то хранение, копирование, передача на произвольное расстояние не изменяет его — любая копия является идентичной оригиналу. Во всяком случае, недостоверность данных можно довольно просто установить, и сделать повторную копию/передачу всего массива или его фрагмента (или его восстановление по избыточной информации). Копия же с пленки, в особенности, при последовательном копировании, будет отличаться от оригинала.

Разумеется, цифровой носитель может выйти из строя, но информация, при ее правильном хранении (с достаточной избыточностью и периодической заменой носителей) может быть сохранена неизменной произвольный период времени.

[править] Компактность

Большинство цифровых камер компактнее плёночных «собратьев», т. к. в их конструкции нет необходимости выделять место для плёнки и механики фильмового канала.

Возможность миниатюризации элементов цифровых камер позволяет производить ультракомпактные варианты камер и камеры встроенные во всевозможные устройства, изначально не предназначенные для фотографирования — мобильные телефоны, карманные компьютеры, плееры и т. п.

Разумеется, уменьшенные геометрические размеры (в особенности, размеры оптики), вносят в снимки свои особенности:

• высокую глубину резкости (ГРИП) (встраиваемые варианты, как правило, вообще, не имеют механизмов фокусировки)
• невысокое оптическое разрешение («мягкость») снимков
• бо́льшее количество шума — сенсор маленького размера обладает меньшей чувствительностью и сигнал с него нуждается в дополнительном усилении, которое, кроме сигнала, повышает и шумовой фон

[править] Количество кадров

Цифровые камеры, как правило, позволяют делать бо́льшее количество кадров, чем плёночные, потому что (если не учитывать ёмкости аккумуляторов) ограничены только ёмкостью цифровых носителей, а последние отличаются более широким ассортиментом, нежели фотоплёнка. Правда, фактическое количество фотографий, которое можно записать на носитель, зависит от характеристик камеры (разрешения изображения) и формата записи.

Кроме этого, при цифровой съёмке при желании/необходимости количество снимков можно увеличить за счёт снижения параметров изображения — разрешения, формата записи и/или качества изображения.

• Разрешение обычно можно снизить в 2-4 раза или привести к стандартным разрешениям (640×480, 1024×768, 1600×1200)
• Форматы записи отличаются количеством сохраняемой информации, видом сжатия и т. п.
• Под качеством принято понимать степень сжатия с потерей информации (как правило, при сохранении в формате JPEG) — при низком качестве изображение теряет в оттенках, но занимает меньше места.

При наличии времени также можно удалять с носителя неудачные кадры, освобождая место для новых, сгружать кадры на компьютер или карманные устройства хранения для больших объемов информации.

Разумеется, также, можно использовать несколько носителей, но эта возможность доступна и для плёночных камер.

[править] Проблемы

[править] Разрешение изображения

При цифровой съёмке изображение представляется дискретным массивом точек (пикселей). Детали изображения размером меньше одного пикселя не сохраняются. Разрешение получаемого изображения (число или размеры матрицы пикселей) определяется базовым разрешением сенсора камеры, а также её текущими настройками.

Более высокое разрешение позволяет сохранить больше деталей изображения, но приводит к увеличению размеров цифрового образа, требующего от камеры и компьютера более высокой производительности и носителей бо́льшего объема.

Вместе с тем фотоплёнка также имеет свою дискретность. Изображение на плёнке образовано чёрными или пигментными доменами («зерном») разного размера, осаждёнными во время фотопроцесса.

Исходя из среднего размера зерна фотоплёнки, аналогичным разрешением для цифрового изображения принято считать разрешение 12-16 мегапикселей на кадр. Такое, или большее разрешение имеют профессиональные камеры.

Однако, реальное разрешение получаемого изображения (то есть степень различимости деталей), кроме пиксельного разрешения сенсора зависит от оптического разрешения объектива и устройства сенсора.

[править] Оптическое разрешение объектива

Разрешение изображения не может быть выше оптического разрешения объектива. Оптическое разрешение, достаточное для получения четкого изображения с разрешением 12-16 мегапикселей, может обеспечить только съемная полупрофессиональная оптика. Объективы большинства компактных камер обеспечивают разрешение на уровне 2-4 (иногда 6) мегапикселей.

В сравнение с плёночными камерами, цифровые камеры одного класса имеют одинаковые объективы или объективы меньшего размера (и, следовательно, потенциально, меньшего разрешения).

В зеркальных камерах применяются одни и те же объективы, но модели с неполноформатными сенсорами фиксируют только часть кадра, и следовательно имеют меньшее разрешение относительно размера кадра.

[править] Влияние устройства сенсора

Разрешение изображения, также, может ограничить устройство сенсора. (см. раздел Устройство цветного сенсора и его недостатки).

[править] Цифровой шум

Цифровые фотографии, в той или иной степени, содержат цифровой шум. Количество шума зависит от технологических особенностей сенсора (линейного размера пикселя, применяемой технологии ССD/CMOS, и др.).

Шум в большей степени проявляется в тенях изображения. Шум возрастает с увеличением светочувствительности съёмки, а также, с увеличением времени экспозиции.

Цифровой шум в чём-то эквивалентен зернистости изображения на фотоплёнке. Зернистость повышается с увеличением чувствительности плёнки, точно также как и цифровой шум. Однако, зернистость и цифровой шум имеют разную природу и различаются по внешнему виду:

В отличии от цифрового шума, изменяющегося от камеры к камере, степень зернистости плёнки не зависит от применяемой камеры — самый дорогой профессиональный аппарат и дешёвая компактная камера на одной и той же плёнке дадут изображение с одинаковой зернистостью.

Цифровой шум начинает подавляться еще при считывании с сенсора (вычитанием «нулевого» уровня каждого пикселя из считанного потенциала), продолжается при обработке изображения камерой (или конвертером RAW-файла). При необходимости шум также может быть дополнительно подавлен в программах обработки изображений.

[править] Муар

Муар при съемке текстуры (мира контраста)

При цифровой съемке происходит растрирование изображения, поэтому если в изображении присутствует другой растр (фактурные ткани, линейные узоры, экраны мониторов и телевизоров) близкий по размеру к растру сенсора, может возникнуть муар — биение растров образующее зоны усиления и ослабления яркости, которые сливаются в линии и текстуры, которых нет на объекте съемки.

Муар усиливается с приближением частот и уменьшением угла между растрами. Последнее свойство означает, что муар можно уменьшить, снимая сцену под некоторым углом, подобранным опытным путем. Нормальную ориентацию сцены можно вернуть в графическом редакторе (ценой потери краёв, и некоторой потери четкости).

Муар очень ослабляется при расфокусировке — в том числе «смягчающими» светофильтрами (которые применяются в портретной съемке) или оптикой относительно невысокого разрешения, неспособной сфокусировать точку, соизмеримую с линией растра сенсора (то есть, оптика невысокого разрешения или сенсор с пикселями маленького размера).

В сенсорах, представляющих собой прямоугольную матрицу светочувствительных датчиков, имеется как минимум два растра — горизонтальный, который образуют строки пикселей и, перпендикулярный ему, вертикальный. К счастью, большинство современных камер имеют достаточно низкое оптическое разрешение (или высокое разрешение сенсора), чтобы хорошо сфокусировать растр близкой частоты, и возникающий муар довольно слаб.

Фильтр Байера, применяемый в большинстве современных цветных фотосенсоров, вносит в муар свою лепту — из-за интерполяции цвета (см. Устройство цветного сенсора и его недостатки) снижает резкость и ослабляет муар от пиксельных растров, а также, придает отдельным участкам реальных или муарных линий цветовые девиации. Вместе с тем, фильтр Байера порождает еще четыре растра в цветовых плоскостях, что может быть причиной появления цветного муара. Цветные растры хоть и являются менее плотными, имеют вдвое меньшую частоту, и, следовательно, муар возникает с бо́льшим количеством объективов.

Существуют алгоритмы подавления различных типов муара, применяемые в некоторых камерах при съёмке, а также RAW-конвертерами и графическими редакторами.

На некоторых изображениях муар появляется (или усиливается) после уменьшения их размеров (особенно при уменьшении без учета гамма-коррекции).

[править] Статические дефекты сенсоров

Отдельные светочувствительные элементы сенсора, в результате производственного брака могут обладать аномальной (пониженной или повышенной) чувствительностью или не работать вообще. В процессе эксплуатации могут появиться новые дефектные элементы.

На нынешнем уровне развития технологии производства сенсоров избежать появления дефектных элементов очень сложно, и сенсоры, содержащие их в малом количестве, не считаются бракованными.

Статически «белые» или элементы с повышенной чувствительностью называют «горячими» пикселями (или хот-пикселями), статически черные — «мертвыми» или «битыми» пикселями.

Дефекты изображения, образовавшиеся в результате аномалий сенсора, обычно устраняются фильтрами шумоподавления.

Также камера может программироваться на особенности своего сенсора так, чтобы аномальные элементы игнорировались при считывании, а их значения определялись интерполяцией. Такое программирование (римэпинг, англ. remaping) проводят в процессе контроля качества, при появлении новых дефектных элементов римэпинг можно повторить (самостоятельно или в сервисном центре).

[править] Низкая фотографическая широта

Пример «выгорания» свето́в (A) и зачернения теней (B)

Светочувствительный сенсор имеет более низкую фотографическую широту по сравнению с традиционной фотоплёнкой (в особенности, негативной). Поэтому при съемке сюжета с большим диапазоном яркостей в на цифровых снимках могут наблюдаться «выгорание» свето́в и/или зачернение теней. При «выгорании» пиксель приобретает максимальное значение яркости, при зачернении значение яркости приближается к минимальному значению (а также приближается или оказывается ниже уровня цифрового шума).

Большинство любительских камер при просмотре изображения позволяют видеть «выгоревшие» пиксели, для пересъёмки при необходимости.

Для борьбы с выгоранием свето́в некоторые сенсоры имеют добавочные фотодиоды с пониженной чувствительностью.

[править] Внутренние отражения

Фотосенсор, представляющий собой интегральную схему, выполненную на полированном монокристалле кремния, отражает свет сильнее, чем фотоплёнка. Эти паразитные отражения могут вызвать появление бликов (особенно заметных на ночных снимках с источниками света в кадре).

Производители качественных компактных камер и профессиональной съёмной оптики, применимой для цифровых зеркальных камер, применяют линзы с покрытиями, снижающими внутренние отражения.

[править] Высокое энергопотребление

Весь процесс получения цифрового изображения, его обработки и записи на носитель является электронным. Всвязи с этим, подавляющее большинство цифровых камер потребляют больше электроэнергии, чем плёночные аналоги. Особенно высоким энергопотреблением отличаются компактные камеры, использующие в качестве видоискателя жидкокристаллический экран.

Сенсоры, выполненные по технологии CMOS, отличаются меньшим энергопотреблением, чем CCD-сенсоры.

Из-за энергопотребления, а также стремления к компактности, в бо́льшей части цифровых камер производители отказались от использования батарей размеров AA и AAA, популярных в пленочных камерах, в пользу более ёмких и компактных аккумуляторов. Некоторые модели позволяют использовать батареи AA в дополнительных батарейных блоках.

[править] Сложное устройство и высокая цена цифровых камер

Даже самая простая цифровая камера является сложным электронным устройством, потому что как при съемке, как минимум, должна:

• открыть затвор на заданное время
• считать информацию с сенсора
• записать файл изображения на носитель

В то время как простой плёночной камере достаточно просто открыть затвор, а для этого (а также, манипуляций с плёнкой) достаточно нескольких несложных механических узлов.

Именно сложность объясняет цены цифровых камер в 5-10 раз превышающие цены аналогичных плёночных моделей. При этом среди простых моделей цифровые камеры часто проигрывают пленочным по качеству картинки (в основном, по разрешению и цифровому шуму).

Кроме всего прочего, сложность увеличивает число возможных неисправностей и стоимость ремонта.

[править] Устройство цветного сенсора и его недостатки

Традиционный цветной фотопроцесс использует многослойную фотоэмульсию со слоями чувствительными в разных диапазонах.

Большинство же современных цветных цифровых камер используют для цветоотделения мозаичный фильтр Байера или его аналоги. В фильтре Байера каждый датчик на фотосенсоре имеет светофильтр одного из трех основных цветов и воспринимает только его. Такой подход имеет ряд недостатков.

[править] Потери разрешения

Полное изображение получается восстановлением (интерполяцией) цвета промежуточных точек в каждой из цветовых плоскостей. Интерполяция снижает разрешение (резкость) изображения.

Снижение разрешения, отчасти, корректируется методом «нерезкой маски» — повышением контрастности на яркостных переходах изображения. В документации эта операция называется «коррекцией резкости» или просто «резкостью». Злоупотребление нерезкой маской приводит к появлению ореолов на границах.

Зачастую «повышение резкости» выполняет сама камера. Но автоматическая коррекция резкости часто имеет слишком низкий порог чувствительности и усиливает цифровой шум. В камерах любительского уровня применение нерезкой маски можно запрещать, чтобы сделать необходимые коррекции на компьютере (в конвертере RAW-файлов или графическом редакторе) с параметрами наиболее подходящими для каждого изображения, а также выполнить их в требуемом порядке.

[править] Цветовые артефакты

Интерполяция может давать неверный цвет на границах и деталях изображения соизмеримых по размеру с пикселем. Также, цветовые артефакты могут образовывать муарные образования (см. раздел Муар).

Искажения на границах призваны предотвратить улучшенные алгоритмы интерполяции, с отслеживанием цветовых переходов. Для подавления цветовых артефактов на готовых изображениях применяют алгоритм «низкочастотного фильтра», однако его применение, делает мелкие детали изображения менее контрастными и резкими.

Предотвращением и подавлением цветовых артефактов и муара занимаются конвертеры RAW-файлов и программы обработки фотографий. Камеры высокого класса имеют для этого встроенные алгоритмы.

[править] Альтернативные схемы цветоотделения

Недостатки фильтра Байера заставляют разработчиков искать альтернативные решения. Вот наиболее популярные из них.

[править] Трёхсенсорные схемы

Данные схемы используют три сенсора и призму, разделяющую световой поток на составляющие цвета.

Основной проблемой трехсенсорной системы является совмещение трех получающихся изображений в одно. Но это не мешает использовать ее в системах с относительно низким разрешением, например в видеокамерах.

[править] Многослойные сенсоры

Идея многослойного сенсора, аналогичного современной цветной фотоплёнке с многослойной эмульсией, всегда владела умами разработчиков электроники, но до последнего времени не имела методов для практической реализации.

Разработчики компании Foveon решили использовать свойство кремния поглощать свет разной длины волны (цвета) на различной глубине кристалла, расположив датчики основных цветов друг под другом на различных уровнях микросхемы. Реализацией этой технологии стали сенсоры X3, анонсированные в 2005 году.

Сенсоры X3 считывают полную гамму цветов на каждом пикселе, поэтому им несвойственны проблемы, связанные с интерполяцией цветовых плоскостей. У них есть собственные проблемы — склонность к шуму, межслойная хроматическая аберрация, и т. п. но эта технология еще находится в активном развитии.

Разрешение в применении к сенсорам X3 имеет несколько трактовок, отталкивающихся от различных технических аспектов. Так для топовой модели Foveon «X3 10.2 MP»:

• Итоговое изображение имеет пиксельное разрешение 3,4 мегапикселя. Так понимает мегапиксель пользователь.
• Сенсор имеет 10,2 миллионов датчиков (или 3,4×3). Такое понимание использует компания в маркетинговых целях (именно эти цифры присутствуют в маркировках и спецификациях).
• Сенсор обеспечивает разрешение изображения (в общем смысле) соответствующее 7-мегапиксельному сенсору с фильтром Байера (по расчётам Foveon), т. к. не требует интерполяции и поэтому обеспечивает более чёткое изображение.

[править] Сравнительные особенности

[править] Быстродействие

Цифровые и пленочные камеры, в общем, имеют схожее быстродействие, определяемое задержками, перед съемкой кадра в различных режимах. Хотя отдельные типы цифровых камер могут уступать плёночным.

[править] Лаг затвора

Лаг затвора — задержка между нажатием кнопки и срабатыванием затвора камеры. Такие задержки, наблюдаются при наличии в камере системы автофокуса.

При этом, в большинстве компактных и бюджетных цифровых камер используется медленный, но точный контрастный автофокус (неприменимый для плёночных камер). Плёночные камеры той же категории используют менее точные (полагающиеся на высокую ГРИП), но быстрые системы фокусировки. Зеркальные камеры (как цифровые, так и плёночные) используют одинаковую систему фазовой фокусировки, с минимальными задержками.

Для уменьшения влияния автофокуса на лаг затвора (как в цифровых, так и в некоторых типах плёночных камер) применяется предварительная (в т. ч. упреждающая, для движущихся объектов) фокусировка, включаемая средним положением трехпозиционной кнопки спуска затвора.

[править] Задержка видоскателя

Неоптические видоискатели, применяемые в незеркальных цифровых камерах — ЖК-экран или электронный видоискатель (окуляр с ЭЛТ или ЖК-экраном), могут показывать изображение с задержкой, что также как и лаг затвора может привести к запаздыванию съёмки.

[править] Время готовности

Время готовности камеры к съёмке — понятие, существующее для электронных камер и камер с выдвигающимися элементами. Большинство механических камер готовы к съёмке всегда, и среди них нет цифровых — все цифровые камеры и задники являются электронными.

Время готовности электронных камер определяется временем стартовой инициализации камеры. Для цифровых камер время инициализации может быть бо́льшим, но достаточно мало — 100—200 миллисекунд.

Компактные камеры с выдвигающимися объективами имеют значительно бо́льшее время готовности, но такие объективы имеют как цифровые, так и пленочные камеры.

[править] Задержка при непрерывной съемке

Задержка при непрерывной съёмке обусловлена обработкой текущего кадра и подготовкой к съёмке следующего, которые требуют некоторого времени. Для плёночной камеры такой обработкой будет перемотка пленки на следующий кадр.

Цифровая камера перед следующим снимком должна:

• Считать данные с сенсора;
• Обработать изображение — сделать файл нужного формата и размера с необходимыми коррекциями;
• Записать файл на цифровой носитель.

Самой медленной из перечисленных операций является запись на носитель (Flash-карту). Для ее оптимизации используется кэширование — запись файла в буфер (AKA кэш англ. cache; область оперативной памяти), с записью из буфера на медленный носитель, параллельно с другими операциями.

Обработка включает в себя большое количество операций по восстановлению, коррекции изображения, уменьшения до требуемого размера и упаковке в файл нужного формата. Для увеличения производительности, кроме повышения частоты работы процессорной части камеры, повышают ее эффективность, разрабатывая специализированные процессоры с аппаратной реализацией алгоритмов обработки изображения.

Скорость считывания с сенсора обычно становится «бутылочным горлом» производительности только в топовых моделях профессиональных камер, с сенсорами высокого разрешения. Все другие виды задержек в них производители устраняют. Как правило, максимальная скорость работы конкретного сенсора ограничивается физическими факторами, приводящими на бо́льших скоростях к резким снижениям качества изображения. Для работы с большей производительностью разрабатываются новые типы сенсоров.

Также на время подготовки к съёмке следующего кадра (как при цифровой, так и при обычной съемке) влияет время необходимое для зарядки вспышки, если она используется.

[править] Максимальное количество кадров при непрерывной съемке

Кэширование записи на медленный носитель рано или поздно приводит к заполнению буфера и падению производительности на реальный уровень. В зависимости от ПО камеры, при этом съёмка может:

• остановиться;
• продолжаться с низкой скоростью по мере записи изображений;
• или продолжаться на той же скорости, затирая в буфере ранее заснятые, но не записанные изображения.

Поэтому, для непрерывной съёмки, кроме количества кадров в секунду, камера имеет параметр максимального количества кадров, которые камера может сделать до переполнения кэша записи. Это количество зависит от:

• Размера оперативной памяти и разрешения сенсора (заводские характеристики) камеры;
• Выбранных пользователем:
  • формата файла (если камера это позволяет);
  • размера изображения (если формат это позволяет);
  • качества изображения (если формат это позволяет).

Плёночные камеры, в силу своего устройства, всегда работают с реальной производительностью, и максимальное количество кадров ограничивает только количество кадров на пленке.

[править] Съёмка в инфракрасном диапазоне

Большинство цифровых камер, позволяют проводить съёмку, частично, в невидимом инфракрасном диапазоне (съёмка теплового излучения или съёмка с инфракрасной подсветкой), потому что фотосенсор способен воспринимать верхнюю часть этого диапазона. Видимый свет, при необходимости, можно отфильтовать специальным светофильтром.

В профессиональных цифровых камерах инфракрасное излучение отфильтровывается для устранения ореолов и других паразитных эффектов.

В классической фотографии для инфракрасной съемки требуется специальная фотоплёнка, но она, в отличие от фотосенсоров, способна воспринимать бо́льшую часть инфракрасного диапазона.

Это незавершённая статья о фотографии. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.