Человеческий фактор

Общая тенденция перехода от старых, проверенных аналоговых технологий к новым, цифровым, порождает много вопросов. В чем именно заключается разница между этими технологиями? Останется ли качество изображения на прежней высоте или, может быть, даже улучшится? Необходима ли смена аппаратуры? Какая система наилучшим образом подойдет для решения конкретной съемочной задачи?

Оставив в стороне проблемы удобства использования техники или персональные предпочтения, мы разработали новый подход к тестированию цифровых камер и объективов. Он дает точные ответы на вопросы о явлениях, с которыми мы ранее сталкивались, но не могли их правильным образом описать или объяснить. Самая важная особенность нашей методологии — возможность с ее помощью заранее предсказать, будет ли та или иная комбинация камеры и объектива соответствовать конкретным нуждам пользователя.

Практические соображения
Главная проблема технических тестов — это их теоретический подход к делу. Физические величины оцениваются с высокой точностью, и ученые обсуждают абсолютные рейтинги. Вопрос в том — как эти оценки соотносятся с действительными потребностями и ограничениями при съемке?

Далее мы рассмотрим основные технические параметры и их роль в практической работе.

Историческое изменение стиля мышления в 2002 году
Первое, о чем обычно спрашивает покупатель цифровой камеры, — это ее разрешение. Причем под «разрешением» он подразумевает просто количество пикселей. Это естественный результат процесса, который можно было бы назвать «гонка пикселей». Ведь в течение многих лет (после появления на фоторынке цифровых технологий — прим. ред.) именно недостаточное количество пикселей не позволяло достигнуть нужной детализации изображения. Постоянно рекламировать все большее и большее количество пикселей было первоочередной задачей маркетинговых отделов.

Но осенью 2002 года ситуация изменилась. Впервые стало понятным, что количество пикселей — не единственное важное условие.

Нами были протестированы с применением самых современных научных методов камеры Canon EOS-D60, Nikon D100 и Fuji S2 Pro в комбинации с несколькими хорошо зарекомендовавшими себя объективами. (Canon EOS-D60 — с Canon EF 16–35/2.8 L USM, EF Canon 70–200/2.8 L USM, Canon EF 85/1.8 USM и Sigma AF 28–200/3.5–5.6. Nikon D100 и Fuji S2 Pro — с Nikon AF-S 17–35/2.8 D ЕD, Nikkor AF-S 80–200/2.8 D IF ED, Nikkor AF 85/1.4 и Sigma 28–200/3.5–5.6.)

На каждой из камер выявилось, что ограничения по разрешению накладываются самими объективами. Способность 6-мегапиксельных сенсоров APS-размера воспроизводить мелкие детали превосходила то, что могли дать объективы на открытых диафрагмах или в широкоугольном положении. Таким образом, было доказано, что использовать с цифровыми сенсорами объективы, разработанные для пленки, — не очень хороший компромисс.

Новая философия тестирования
Большинство объективов, использованных в этом тесте (2002 г., см. выше), принадлежит к профессиональному классу и считается эталонным по качеству изображения в пленочной фотографии. Тем удивительнее оказался уровень снижения качества и специфичность результатов, полученных в различных комбинациях «камера-объектив». Один и тот же объектив показывал неодинаковые результаты с разными цифровыми камерами. Старая философия — тестировать каждый компонент в отдельности — показала свою несостоятельность.

Поэтому сегодня хорошие методики основываются на системном подходе: камера и объектив всегда испытываются вместе, на специальных тестовых мишенях. А индивидуальные недочеты и особенности работы камеры, объектива и алгоритмов обработки выявляются в результате анализа полученных изображений с помощью специальных программ.

Разрешение
Это физическая величина, обычно определяемая количеством линий по высоте изображения или шириной самой тонкой различаемой пары линий. Но такого узкого толкования уже недостаточно. Для цифрового фотографа разрешение должно удовлетворять целому комплексу требований.

Разрешение от центра до края. С цифровыми изображениями обращаются не так, как с аналоговыми. В пленочной фотографии высший приоритет отдавался центру кадра. Снижение разрешения от центра к краю было не столь критично. Но так как в цифровой фотографии очень распространен прием быстрой выкадровки фрагментов из периферийных зон кадра, падение разрешения должно быть как можно менее заметным.

«Всенаправленное» разрешение. Сам сенсор, а также различные алгоритмы обработки неодинаково ведут себя на различных направлениях в плоскости изображения. Качество может ухудшиться, если, к примеру, повышение резкости будет различно для контуров, расположенных горизонтально и вертикально. В этом случае суммарное разрешение оказывается низким, и при съемке объектов со сложной неупорядоченной структурой, например, текста или деревьев, изображение обнаруживает неоднородный характер. Для технической репродукции камера должна обладать высоким «всенаправленным» разрешением. Чтобы его оценить, система должна тестироваться не только на способность различать детали по горизонтали и вертикали, но — в любом направлении. Сегодняшние методы тестирования, основанные на стандартах ISO, не отвечают этим требованиям.

Рабочий диапазон диафрагм. Хотя у объектива шкала диафрагм может иметь семь и более различных значений (например, от f/2.8 до f/22), далеко не на всех мы сможем получить приемлемое разрешение и качество изображения. Как правило, на полностью открытой диафрагме разрешение оказывается низким из-за несовершенства реальной оптической конструкции; при сильном диафрагмировании оно неизбежно уменьшается из-за дифракции. При съемке на 35-мм пленку дифракция начинает заметно влиять, начиная с f/16. Таким образом, рабочий диапазон диафрагм в данном случае будет состоять лишь из 4 значений — от f/4 до f/11.

Современные сенсоры обладают более высокой разрешающей способностью, чем галогенсеребряные эмульсии пленок, но в цифровой фотографии ограничения накладываются реакцией сенсора на наклонные пучки лучей, создаваемые объективами традиционной, «аналоговой» конструкции. Кроме того, сенсоры размера APS уже при f/11 начинают страдать от дифракции. Поэтому у такого же, как в предыдущем примере, объектива, останутся лишь две рабочие диафрагмы — f/5.6 и f/8. Это очень серьезное ограничение в практической работе.

Характеристики объектива
Кроме влияния объектива на разрешение и контраст изображения, следует учитывать следующие параметры.

Притемнение по полю кадра. Цифровые сенсоры специфическим образом реагируют на наклонные лучи. Как правило, при использовании сенсоров притемнение поля кадра будет более сильным, чем при использовании пленки. В то же время цифровые технологии позволяют до определенной степени исправить этот эффект программными средствами. Но если притемнение значительно или нарастает не плавно, а скачком, изображение может оказаться совершено загубленным. Постепенное притемнение от центра к краям — результат естественного хода лучей света. Оно сильнее выражено у сверхсветосильных и у широкоугольных объективов. Его можно уменьшить диафрагмированием. Если же кроющее поле объектива не соответствует размеру сенсора или же угол падения лучей на поверхность сенсора превышает предельную величину, возникает эффект, называемый виньетированием. Он выражается в резком затемнении изображения, начиная с некоторого расстояния от центра. Виньетирование может не поддаваться исправлению даже при сильном диафрагмировании.

Дисторсия. Искривление прямых линий на краях изображения вызывается самим объективом независимо от того, используется пленка или сенсор. Когда линии изгибаются в стороны от центра, это называется бочкообразной дисторсией, когда внутрь — подушкообразной. Если же характер дисторсии меняется от центра к краям, то это самая неприятная, волнообразная дисторсия. Бочкообразная дисторсия проявляется, как правило, на минимальных значениях фокусных расстояний в широкоугольных зум-объективах. Подушкообразная — на длинных фокусных расстояниях зумов. В специальных графических программах есть фильтры для коррекции бочкообразной и подушкообразной дисторсии. Волнообразная дисторсия практически не поддается исправлению.

Другие факторы качества
Динамический диапазон входящего сигнала. При съемке необходимо точно измерять и устанавливать экспозицию, чтобы не потерять детали в светах или тенях. Неправильно думать, что цифровые камеры обладают большей гибкостью, так как позволяют корректировать яркость снимка на компьютере. На самом деле цифровые камеры обычно имеют входной динамический диапазон в пределах 7,2–9,9 ступеней ЕV (округленно 2,2–3,0 D), что примерно соответствует возможностям галогенсеребряной фотографии.

Мы говорим «примерно», потому что свойства самого сенсора или пленки еще определяют максимально возможный динамический диапазон системы. Пленка может передавать диапазон яркостей до 3 D. Но реальный диапазон окажется меньше, так как на различных этапах получения изображения неизбежны потери. Это светорассеяние в объективе, светорассеяние в камере, погрешности проявки пленки, светорассеяние в слайд-проекторе или в увеличителе, погрешности проявки отпечатка, неидеальность свойств фотобумаги.

Предположим, паразитное светорассеяние в объективе составляет 0,5 процента. Тогда это означает, что передать диапазон яркостей более 1:200 (менее 8 ступеней EV, или 2,4 D) будет невозможно в результате засветки деталей в тенях. И в данном случае уже неважно, будет регистрирующий элемент иметь потенциальный диапазон 3 D или 100 D.

Кстати, отдельно взятый пиксель способен регистрировать контраст не более 1:50–1:80 (это примерно 1,8 D!). Естественно, приходится применять дополнительные аппаратные и программные средства для расширения динамического диапазона.

Диапазон значений выходного сигнала. Диапазон выходного сигнала цифровой камеры определяет максимальный контраст полученных снимков. Если он достигает максимального значения 256 — это изображения со шкалой тонов от глубочайшего черного на уровне 0 до самого светлого с уровнем яркости 255. «Плоские» изображения, получаемые при небольшом диапазоне выходного сигнала, могут поначалу показаться приемлемыми. Но, к примеру, последующее растягивание гистограммы в программе Photoshop — это дополнительная работа. К тому же изображение, полученное таким способом, не будет иметь должного разнообразия тонов, а в отдельных случаях вероятна даже его постеризация.

Тоновое воспроизведение. При любом фотографическом способе — галогенсеребряном или цифровом — регистрируемый свет должен быть преобразован в иную форму зрительной информации, чтобы в результате получилось изображение. Каждому конкретному значению яркости снимаемого сюжета ставится в соответствие определенное значение яркости изображения. Этот процесс определяется функцией передачи плотности (в случае фотопленки) и функцией оптико-электронного преобразования (при использовании сенсора). Форма результирующей передаточной кривой имеет большую важность для фотографа. Если она линейна — воспроизведение тонов неискаженное, точное.

Соотношение яркостей в светах, тенях и средних тонах изображения подобно их соотношению в действительности. Сенсор ведет себя как измерительный прибор. Если же форма кривой S-образная — контраст оказывается повышенным в области средних тонов, а света и тени передаются мягче. Такая форма кривой обеспечивает расширенный входной диапазон с сохранением деталей на границах и более живую передачу средних тонов. Платой за это является общее снижение точности воспроизведения яркостей.

Хорошо сбалансированная передаточная кривая очень важна, она дает приятное для глаза тоновоспроизведение. Сильной нелинейности следует избегать, так как отдельные участки изображения могут передаваться чересчур мягко или даже плоско. Функция оптико-электронного преобразования должна оцениваться соответствующими лабораторными методами.

Шум. Адекватное воспроизведение однородных по яркости областей сюжета всегда представляло трудность для фотопроцессов. При использовании галогенсеребряной технологии зрительная однородность нарушалась зернистостью пленки. Отчасти решал эту проблему переход на более крупный формат материала. При использовании цифровых сенсоров однородность нарушается шумами. Причем существует несколько типов шумов.

Шумы регулярной структуры присутствуют на каждом кадре. Они вызваны нестрогими производственными допусками на разброс значений чувствительности каждого отдельного пикселя или толщины его цветного фильтра. Причиной может быть также отсутствие или дефектность некоторого количества пикселей.

Картина шумов нерегулярной структуры меняется от кадра к кадру.
Первая их разновидность — тепловые шумы. Чем выше температура сенсора, тем они больше. Поэтому в цифровых камерах высшего класса применяют активные охлаждающие модули. Эти шумы наиболее заметны в теневых и среднесерых областях.

Шумы квантования возникают при преобразовании аналогового сигнала в цифровую форму. Чем лучше работает АЦП камеры, тем шумов меньше. Они одинаковы на всех уровнях яркости.

Шумы компрессии — специфическая разновидность. По сути, они не являются шумами, но в определенных условиях компрессия изображения приводит к многочисленным артефактам, которые зрительно воспринимаются как шум.

Любая из рассмотренных разновидностей шумов имеет яркостную и цветовую составляющую. Какая из них более критична — нужно решать, исходя в каждом конкретном случае из поставленной фотографической задачи.

Размер областей изображения, искаженных шумами, бывает различным. Так называемый «тонкий», или высокочастотный, шум проявляется в виде яркостных/цветовых различий отдельных пикселей. Он критичен при печати снимков большого формата. Низкочастотный шум — это кластеры (группы) пикселей. «Агрессивный» низкочастотный шум — кластеры от 2&1110;2 до 4&1110;4 пикселя с резкой границей. Неагрессивный низкочастотный шум — от 3&1110;3 до 8&1110;8 пикселей, с плавным переходом от ядра к краевым областям. Такой шум ухудшает качество маленьких снимков и перестает влиять при больших увеличениях. Яркостный шум обычно бывает высокочастотным, а цветовой — низкочастотным. При повышении ISO-эквивалентного уровня чувствительности сенсора повышается как частота шумов, так и их агрессивность.

Современные цифровые камеры борются с шумами программным образом. На относительно однородных участках изображения возможно понизить шумы без заметного ухудшения разрешения. Но на контурах изображения подавление шумов работает неудовлетворительно. Поэтому необходимо проверять наличие шумов в регулярных структурах, на контурных переходах, около линий, так как резкое повышение уровня шума там — в сравнении с гладкими и ровными областями — может значительно ухудшить зрительное впечатление от изображения в целом.

Алгоритмы обработки изображения
За исключением RAW-данных, любое изображение, формируемое цифровой камерой, проходит несколько этапов обработки. Наиболее важные — оптимизация контуров и повышение резкости. Оба алгоритма преобразуют объективную физическую величину — разрешение, в субъективно оцениваемую «резкость». Применить эти алгоритмы — значит, пойти на компромисс с качеством изображения: чем резче выглядит картинка, тем больше в ней, как правило, артефактов.

Подчеркнуто резкий характер изображения очень хорош для любительской фотографии: отпечатки небольшого формата выходят поразительно четкими и контрастными. Но если потребуется подвергнуть такие снимки дальнейшей обработке в специальных графических программах (например, Аdobe Photoshop), могут возникнуть серьезные проблемы.

Изображения, где с резкостью изначально переборщили, практически невозможно освободить от артефактов без серьезных потерь в разрешении и качестве. Традиционная, умеренная стратегия повышения резкости дает опытному пользователю гораздо большую свободу манипуляций, но потребует дополнительных усилий, если надо придать изображениям «открыточный» вид.

Итак, следует учитывать разницу в подходах к резкости: один предназначен для тех, кто привык «снять–напечатать», другой — для тех, кто любит «снять–повозиться».

Есть тут и рыночный аспект. Обычно при проведении дилерских презентаций или написании журнальных тестов качество изображения цифровых камер оценивают либо по отпечаткам небольшого формата, либо рассматривая кадры на мониторе. И в том и в другом случае избыточное повышение резкости дает визуально более привлекательный результат, и потенциальные покупатели или сотрудники редакции дают камере завышенную оценку. А непригодность снимков для последующей обработки станет очевидна лишь через некоторое время — уже после покупки или публикации…

Усиление контурной резкости на низких пространственных частотах. Контуры объектов, то есть границы между темными и светлыми областями, а также отдельные линии в изображении называются контурами низкой пространственной частоты, так как здесь нет множества штрихов, отсутствует текстура. Используемые в настоящее время алгоритмы всегда анализируют ряды пикселей для оптимизации результата.

Усиление контурной резкости на низких пространственных частотах наиболее заметно, и именно благодаря ему изображения приобретают столь узнаваемый, неприятный, «цифровой» вид. При этом вертикальные и горизонтальные, темные и светлые контуры могут быть затронуты различным образом. Если же в результате повышения резкости неодинаково затронуты цветовые каналы, это порождает хроматические артефакты.

Когда степень воздействия оказывается чересчур сильной, изображения приобретают очень неестественный вид. Чтобы выявить различия между алгоритмами повышения резкости у различных производителей, следует оценивать их с помощью специально разработанных тест-методов.

Усиление контурной резкости на высоких пространственных частотах. Тонкие текстуры имеют высокую пространственную частоту. Если в этих областях применяется та же стратегия повышения резкости, что и для отдельных контуров, велика возможность появления неприемлемых артефактов и муара. В результате качество изображения снижается, так как генерируются новые узоры и текстуры, отсутствующие в исходном сюжете. Это очень критично для работ в области технического репродуцирования или при распознавании образов (OCR).

Компрессия. RAW и TIFF-файлы передаются и сохраняются медленно, а заполняют память сменных носителей быстро, поэтому сжатие информации становится насущно необходимым. В то же время сжатие с потерями может порождать артефакты (например, в виде однородных квадратных областей размером 8х8 пикселей) и снижать качество изображения до совершенно неприемлемого уровня.

Продуманный набор коэффициентов сжатия дает возможность выбрать оптимальное соотношение между качеством изображения и удобством работы с данными. Лишь в исключительных случаях, когда требуется точнейшее отображение цвета, либо при медицинских съемках — даже JPEG-сжатие без зрительно заметных потерь (visually losless compression) с коэффициентом 1:4—1:6 может оказаться неприемлемым. Вообще, наилучшим для пользователя был бы выбор из следующих значений: 1:5, 1:10, 1:20.

Основные выводы
Сравнение возможностей 35-мм галогенсеребряной и цифровой фотографии показывает следующее.

Для печати максимально высококачественных художественных изображений большого формата — галогенсеребряная технология дает пока лучшие результаты, чем цифровая. (При съемке должны использоваться соответствующие объективы и низкочувствительные пленки.)

Для получения небольших и средних по размеру отпечатков — протестированные цифровые камеры ни в чем не уступают пленочным (при съемке на среднечувствительные материалы).

Если требуется произвести съемку при малых уровнях освещенности (что диктует использование пленок высокой чувствительности), а также при лампах накаливания, флуоресцентных лампах, смешанном освещении, — использование цифровых камер дает существенные преимущества или даже открывает возможности, в принципе не доступные для пленочной фотографии. Здесь цифровая техника уже безоговорочно победила.

Фотографии и комментарии к ним — журнал «Foto& Video»

Андерс УШОЛЬД