2000 №5

Цифровые фотоаппараты

А. ВОЛГИН.

Электронная фотография, не использующая для получения изображения эмульсию с галогенидами серебра, появилась довольно давно. Наиболее известно ее применение для съемки с космических аппаратов небесных тел и земной поверхности. Электроника позволила передать на Землю их изображение, качество которого удовлетворяло самым строгим требованиям. Съемка велась одновременно в разных частях спектра несколькими объективами, отчего информативность снимков была значительна выше, чем при обычной цветной съемке.

Для фотолюбителей электронная фотография стала доступной с развитием телевидения, когда появились устройства для печати телевизионного изображения на специальной бумаге, которую можно условно отнести к фотографической. Правда, быстродействия этих устройств не хватало для записи быстрых движений. С распространением видеомагнитофонов, имеющих режим стоп-кадра, и печатных устройств с памятью, которые фиксировали нужную картинку, этот недостаток утратил свое значение. Они позволили также впечатывать в одну фотографию несколько изображений, текст, в небольших пределах менять масштаб снимка, корректировать цветопередачу и т. д. Подобные видеопринтеры позволяют получить изображение с экрана телевизора, с видеомагнитофона, компьютера, цифрового фотоаппарата и видеокамеры, имеющих видеовыход. Формат снимков у большинства моделей несколько меньше 9x12 см.

Полезное дополнение к видеопринтеру — фотовидеокамера, предназначенная для пересъемки слайдов и негативов в обращенном виде, то есть как позитив. Ее вариообъектив позволяет снимать мелкие предметы и делать выкопировки с увеличением до 6 раз. Разумеется, у подобных устройств наводка на резкость, экспозиция, корректировка цветопередачи могут производиться автоматически или вручную. Резкость изображения относительно большая, она измеряется по телевизионному стандарту в линиях по горизонтали и может быть выше 450 линий.

В последнее десятилетие появились доступные любителям устройства для записи изображения на магнитные носители — все возможные пластинки или диски, а также на оптические диски (DVD).

Примерно в это же время любительское телевидение стало переходить на цифровую обработку сигналов — так называемую цифровую запись. Это позволило главным образом сделать возможным перезапись изображения без потери качества и немного поднять его резкость, примерно до 500 линий по горизонтали. Предыдущие системы любительской видеозаписи могли давать изображение с резкостью около 400 линий.

Практически все модели любительских цифровых видеокамер имеют режим съемки «фото», при котором камера записывает не фильм, а неподвижный кадр, только одно изображение. Для этого они зачастую снабжаются встроенной вспышкой. Отдельные модели камер позволяют записать на одной кассете до 1000 снимков. Можно отпечатать и любой кадр видеофильма на принтере, однако в этом случае усложняются поиск кадра и его «захват», то есть остановка выбранного изображения на экране телевизора или дисплее компьютера. Эту операцию можно предельно упростить, если воспользоваться платой «захвата», вставляемой в компьютер. Такие платы выпускают изготовители цифровых видеокамер.

Компьютер позволяет редактировать изображение: менять тональность снимка, цветопередачу, контраст; удалять ненужные детали и мелкие дефекты. К простейшим операциям относятся кадрирование и цветокоррекция.

Качество отпечатков, получаемых с помощью цифровых видеокамер, по сравнению с обычными фотографиями ниже. Это различие становится заметным уже при формате отпечатка более 9x12 см. А цифровой фотоаппарат дает изображение, сравнимое по качеству с фотографией, снятой обычным фотоаппаратом.

Принцип работы цифровых фотоаппаратов сходен с принципом работы телевизионных камер. Объектив фотоаппарата проецирует изображение на так называемый прибор зарядовой связи (ПЗС) — пластинку с несколькими сотнями тысяч микроконденсаторов на поверхности. Под действием света каждый конденсатор заряжается. Величина заряда определяется интенсивностью света, его яркостью. Электроника камеры последовательно снимает заряды с каждого конденсатора. Информацию о цвете получают двумя различными способами.

Оптическая схема цифрового фотоаппарата. Изображение, даваемое стандартным объективом 1, сжимается оптической системой 2 и делится на три части полупрозрачными зеркалами 3. Три изображения поступают на матрицы ПЗС, закрытые светофильтрами.

Матрица ПЗС (прибор с зарядовой связью) размером 1x1,7 дюйма (2,5x4,25 см) может содержать до 50 миллионов светочувствительных элементов — пикселей.

По первому каждые три рядом расположенных конденсатора закрывают светофильтрами разного цвета. В результате один конденсатор воспринимает красный цвет, второй — зеленый и третий — синий. По второму способу свет делится фильтрами и призмами на три луча: красный, зеленый и синий. Каждый луч попадает на свою матрицу ПЗС.

Качество изображения определяется размерами конденсаторов. Для удобства говорят не о количестве конденсаторов, а о количестве пикселей, образующих изображение. Резкость конечного отпечатка определяют по допустимому размеру точки на изображении. Минимальным размером точки при рассматривании изображения с расстояния 25 см считается 0,2 мм. При больших размерах точки глаз будет различать структуру изображения.

Зная количество пикселей у ПЗС цифрового аппарата, нетрудно рассчитать предельный размер отпечатка, у которого еще не будет видна структура изображения. Положим, мы хотим получить отпечаток размером 9x12 см. Очевидно, ПЗС должно иметь 90:0,2 х 120:0,2 = 450x600, то есть около 300000 пикселей. Такое число пикселей имеют даже самые простые цифровые фотоаппараты. Предел по числу пикселей у аппаратуры, доступной по цене фотолюбителям, приближается к 2 мегапикселям, то есть к 2000000.

Снимок, сделанный камерой с более чем 1 мегапикселем, можно увеличивать до формата примерно 24x30 см, правда, с некоторыми оговорками. Разумеется, при этом говорить о кадрировании снимка не приходится. В традиционной фотографии с негатива размером 24x36 мм можно сделать без потери качества отпечаток с увеличением примерно в 10 раз, то есть 24x36 см, и качество его будет выше. Резким считается отпечаток, имеющий десять линий на миллиметр с пробелами такой же ширины, как и линии. С пересчетом на точки при равном качестве отпечатков традиционной и цифровой фотографий получается, что с негатива размером 24x36 мм можно делать увеличения значительно больше, чем в 20 раз.

Профессиональные цифровые фотоаппараты делают примерно такие же увеличения, как и традиционные, ибо их ПЗСы имеют не менее 10 мегапикселей. Кроме того, электроника позволяет как бы усреднять изображение на соседних участках, повышая кажущуюся резкость в два с лишним раза. Называется такой способ интерполяцией, и применяется он довольно часто в устройствах для пересъемки, например, слайдов.

Резкость отпечатка характеризуют числом пикселей на единицу длины (обычно на дюйм) и обозначают числом dpi. Зная размер изображения, нетрудно подсчитать общее число пикселей, но обычно этого не делают. Изображение с 1200 dpi считается резким, если его рассматривают с расстояния 25 сантиметров.

Качество изображения зависит и от объектива. Если у ПЗС аппарата меньше 500 тысяч пикселей, требования к объективу не очень высоки. У аппаратов с вдвое большим разрешением должен быть объектив не менее качественный, чем у зеркальной малоформатной камеры. Поэтому цифровые аппараты нередко комплектуются объективами обычных зеркальных камер, а к крупно- и широкоформатным камерам для обычной пленки выпускаются цифровые задники с довольно большими ПЗС.

Сравнивать фокусные расстояния объективов цифрового и малоформатного аппаратов затруднительно. Размеры ПЗС у различных камер разные, поэтому объективы, проецирующие изображения с одинаковыми углами зрения, у разных камер имеют различные фокусные расстояния.

У обычных камер ПЗС по размеру меньше, чем кадр малоформатного аппарата. Это позволяет существенно уменьшить длину фокусного расстояния и упростить конструкцию объектива, а у вариообъективов — получить качественное изображение при изменении фокусного расстояния больше, чем в 10 раз. Кроме того, появляется возможность макросъемки обычным объективом в масштабе 1:1.

У некоторых моделей аппаратов размер изображения может изменяться с помощью электроники только раза в два (у видеокамер — до 100 раз). Это объясняется более высокими требованиями к качеству снимка, которое резко падает при уменьшении числа пикселей. Кроме того, при большом увеличении могут всплыть всевозможные дефекты электронного изображения. Изображение, скажем, может получиться в виде мозаики из прямоугольников.

Электроника позволяет уже во время съемки использовать всевозможные эффекты. В обычных аппаратах для этого используются светофильтры и разнообразные насадки, умножающие или делящие изображение. При съемке подобные цифровые эффекты используются редко, особенно если предполагается обработка изображения на компьютере, поскольку при такой обработке можно, не портя первоначального изображения, получить значительно больше эффектов.

Цифровые фотоаппараты, могут иметь как совершенно оригинальную форму, так и традиционную, напоминающую зеркалку или «мыльницу».

Применение эффектов упрощается при съемке камерами с видоискателем в виде панели с жидкокристаллическим дисплеем, который у некоторых камер высокого класса приставной. Это делает камеру легче и позволяет экономить элементы питания, используя дисплей только при необходимости. По конструкции видоискателя цифровые камеры, как и традиционные, несколько условно делят на зеркальные и дальномерные (они имеют либо автоматическую наводку на резкость, либо объективы с установкой на гиперфокальное расстояние).

Одно из основных отличий цифровой камеры от традиционного фотоаппарата — возможность регулировать качество цветного изображения в соответствии со спектром освещения, которое обычно оценивается по температуре источника света в кельвинах. При съемке обычными аппаратами для этого используются конверсионные светофильтры. Электроника камеры позволяет учитывать особенности освещения автоматически, а у некоторых моделей это можно также делать от руки. Такая регулировка позволяет получить белый лист на отпечатке белым при любом освещении и, разумеется, вручную изменить цветопередачу в нужную сторону. В целом такая регулировка называется управлением «баланса белого».

Светочувствительность ПЗС простых моделей обычно близка к 100 единицам ГОСТ фотопленки. У некоторых камер она может регулироваться в довольно широких пределах и достигать нескольких тысяч единиц. Светосила объективов редко превышает 2, минимальная выдержка — порядка 1/10000 секунды, правда, только у аппаратов, которые можно считать профессиональными.

Цифровые аппараты записывают изображение либо на стандартную дискету, которую можно вставить непосредственно в дисковод компьютера, либо на специальную смарт-карту (вставлена в адаптер).

Экспозиция у всех камер устанавливается автоматически. Ее замер может быть интегральным, средневзвешенным или точечным. Переход от одного способа к другому в большинстве камер осуществляется по желанию снимающего. У ряда камер предусмотрены съемка с экспозиционной вилкой, ручная коррекция экспозиции, установка диафрагмы и выдержки.

Подавляющее число камер имеет встроенную вспышку, которая может включаться автоматически при недостатке света или при съемке сюжетов с большим контрастом, например против света. Для управления съемкой и вспышкой у камер могут быть предусмотрены различные программы — от простейших для съемки ландшафта до сложных, применяемых в сумерках. Некоторые модели могут делать несколько снимков в секунду, другие — кадр за одну-две секунды.

Для регистрации видеосигналов иногда используются упрощенные видеомагнитофоны небольшого размера, которые пишут не на магнитную ленту, а на обычную дискету 3,5 дюйма. Но большинство камер запись производят на сменяемые, подобно дискетам, носители — модули памяти. Наиболее распространены Compact Flash и Smart Media. У некоторых моделей есть только встроенная память, что не всегда удобно, так как после ее заполнения приходится стирать изображение. Эта работа облегчается, если камера имеет дисплей, на котором можно отобрать ненужные кадры.

На снимок высокого качества требуется много памяти, например, у камеры с ПЗС в 1 мегапиксель на один снимок расходуется 6 Мб памяти. Чтобы увеличить количество снимков, записываемых на носитель, применяется сжатие, отсекающее часть информации о цвете сюжета. Наиболее распространено сжатие по так называемому протоколу JPEG, менее известен способ MPEG-1, который применяется для передачи изображения в Интернет. В камерах, рассчитанных на получение изображения высокого качества, сжатие либо вообще не применяется, либо предусматривается несколько его режимов (максимальный, умеренный и без сжатия).

Один из недостатков цифровых фотоаппаратов — невозможность хранить изображение достаточно долго, несколько лет. Поэтому изображения перезаписывают на оптические диски (DVD), которые, кстати, используются в отдельных моделях профессиональных камер для съемки. Большая их емкость позволяет собрать на одном диске многие тысячи снимков и применить автоматическую поисковую систему, отбирающую нужные снимки сразу по многим параметрам.

Основной недостаток цифровой фотографии: высокая стоимость как цифровой камеры, так и отпечатка — постепенно уходит в прошлое. Дополнительные возможности: передача снимка без особой сложности в Интернет, заказ снимков по телефону с отправкой их в печатный центр по электронной почте и другие — позволяют полагать, что цифровая фотография рано или поздно вытеснит традиционную.

(См. 4-ю стр. обложки.)

Напоминаем, что рассматривать эти стереопары нужно инверсным способом: правый глаз должен видеть левую половинку стереопары, а левый — правую.

Ограничив поле зрения правого глаза до половины экрана правой рукой (правый глаз должен видеть только левую картинку) и так же левой рукой загородив левую картинку, вы уберете мешающие изображения — останется только одна объемная картинка.