От пленки к цифре

В чем принципиальное отличие цифровой фотографии от фотографии пленочной? В способе регистрации и хранения изображений. Традиционная фотография фиксирует изображение в аналоговом виде. Свет, проходящий через объектив и сфокусированный на поверхности пленки, вызывает изменение оптической плотности солей серебра светочувствительной эмульсии. Степень потемнения эмульсии соответствует уровню засветки. То есть светочувствительный элемент пленки - зерно галогенида серебра - изменяет свои характеристики пропорционально экспозиции.

Для получения окончательного результата съемки - готового отпечатка - пленку подвергают химической обработке, то есть проявлению, закреплению, промывке и сушке. Пленка в традиционной фотографии - это промежуточный носитель информации. При этом изображение на фотопленке после проявки становится видимым, но негативным и зеркально обращенным.

Далее с пленочного негатива изображение переносят на фотобумагу посредством повторной экспозиции. Через увеличитель или станок для контактной печати негативное изображение проецируется на поверхность светочувствительной фотобумаги. Затем проэкспонированная бумага проявляется, фиксируется, промывается и просушивается. Этот процесс практически идентичен процессу обработки фотопленки. Фотобумага в данном случае становится окончательным носителем информации…

Эта, казалось бы, элементарно простая технология получения фотоизображений на самом деле слишком сложна. Многоступенчатая обработка еще не самый большой ее минус. Основной недостаток традиционной фотографии в том, что в ней используются разнородные и несовместимые ни с чем носители информации.

Попробуйте, к примеру, проиллюстрировать обычное письмо какой-нибудь "бумажной" фотографией. Способ лишь один - наклеить фотоотпечаток на лист бумаги, на котором написано это письмо (то есть попытаться совместить два принципиально несовместимых носителя информации)… А если речь идет о печатном издании? А о видеофильме, который необходимо дополнить фотоизображениями (да еще и специальным образом трансформированными)?

Далее - хранение снимков. Мы привыкли к тому, что личный или семейный фотоархив хранится в виде фотоальбома - бумажной книги с вклеенными в него (или закрепленными каким-либо иным образом) фотоотпечатками. Но иногда возникает необходимость восстановить утраченные или испорченные временем снимки. Без повторной печати здесь не обойтись. Поэтому мы вынуждены хранить еще и архив пленочных негативов.

Сохранность проявленной фотопленки, как, впрочем, и бумажных фотоотпечатков, зависит от двух факторов - от физических характеристик самой пленки (или бумаги) и от соблюдения технологии ее химической обработки.

Старые негативные пленки имели целлулоидную подложку. Со временем целлулоид подложки обезвоживается и становится ломким. Старые негативы очень трудно сохранить неповрежденными.

Весьма непросто обстоит дело и с сохранностью эмульсии. Изготовленная на основе желатина эмульсия также подвержена высыханию. Кроме того, эмульсия старых пленок и бумаги склонна к изменению цвета - с годами она желтеет.

В современных фототехнических материалах проблема долговременного хранения негативов и готовых снимков в значительной степени решена. Подложка пленки изготавливается из долговечного лавсана и иных искусственных материалов, эмульсионный слой пленки защищен лаком, а бумаги - полимерным покрытием. Но это не снимает проблемы механических повреждений негативов. Пленку можно поцарапать, испачкать, повредить растворителями и так далее.

Еще одно неприятное свойство архива пленочных негативов - его абсолютная нефункциональность. Что такое архив негативов? Пыльные коробки с отснятыми пленками, которые хранятся где-нибудь в шкафу и не используются никак. Негативы нужны лишь в качестве страховой копии альбомных фотоотпечатков, это единственное их предназначение. А место в пространстве наших домов и офисов они занимают (и немалое, если фотолюбитель снимает более-менее активно, и огромное, если речь идет о редакции периодического издания или о специализированном архиве).

Главное достоинство цифровой фотографии в том, что отснятые изображения сохраняются в виде цифрового кода. Цифровой фотоснимок - это некий объем оцифрованной информации, которая может использоваться совместно с цифровыми данными любого другого типа, например, с текстовыми. Компьютер считывает цифровые данные с носителя информации и строит на экране монитора изображение, идентичное тому, что было зафиксировано светочувствительным сенсором фотоаппарата в момент съемки.

Цифровые фотографии хранятся в памяти компьютера или на носителях в виде графических файлов стандартных типов. Это позволяет унифицировать снимки, сделав их совместимыми с любыми компьютерами, печатающими устройствами, другими цифровыми фотоаппаратами. К примеру, снимки, полученные при помощи одного фотоаппарата, можно переписать на карту флэш-памяти, перенести на другой фотоаппарат и просмотреть их на его встроенном контрольном дисплее. Ясно, что потребности в подобной процедуре не возникает (а сама возможность существует только теоретически, поскольку каждому снимку компьютер фотоаппарата присваивает уникальное имя и работает только с ним). Гораздо чаще нам приходится переносить цифровые фотографии с компьютера на компьютер, в том числе и на карманный, или распечатывать на разного рода печатающих устройствах. И то, и другое не вызывает проблем именно по причине того, что снимки хранятся в виде стандартных графических файлов.

Процесс оцифровки изображения цифровым фотоаппаратом выглядит следующим образом. Световой поток фокусируется объективом (таким же, как и в пленочном фотоаппарате) на поверхности матрицы микроскопических полупроводниковых светочувствительных элементов. В момент срабатывания затвора или запуска электронного механизма мгновенного считывания состояния матрицы (последнее применяется в камерах начального уровня) компьютер фотокамеры фиксирует состояние засвеченных элементов. При этом аналого-цифровой преобразователь ( АЦП ) фотоаппарата преобразует электрические потенциалы каждого элемента в набор цифровых сигналов (логических нулей и единиц). Информация фиксируется в дискретном виде - засвечен элемент матрицы или не засвечен. Затем оцифрованное АЦП изображение записывается в память фотоаппарата.

Это предельно упрощенная схема работы цифровой камеры, дающая лишь общее представление о принципиальных различиях между традиционной пленочной и цифровой фотографией. Но и она показывает, что усложнение технологии фиксации изображения на самом деле приводит к значительному упрощению его дальнейшей обработки и повышению точности работы фотоаппарата.

Сначала обратимся именно к точности. От чего зависит техническое качество пленочного снимка? По всей видимости, от конструкции самого фотоаппарата (его объектива и затвора), правильной установки экспозиционных параметров и, самое главное, от характеристик и качества изготовления применяемых фотоматериалов.

Светочувствительный слой негативной фотопленки состоит из зерен галогенидов серебра, равномерно распределенных в толще эмульсии. Однако величина и форма зерен не идентичны - даже при современном уровне технологий достичь этого невозможно. Следовательно, некоторые зерна галогенидов обладают более высокой светочувствительностью (поскольку в них больше солей серебра), другие - меньшей. Значит, и степень фиксации засветки на разных участках эмульсии будет хоть незначительно, но отличаться.

Затем наступает очередь самого вещества эмульсии. Полив эмульсии на подложку пленки осуществляется специальной машиной. Скорость протяжки прозрачной лавсановой ленты постоянна, но не абсолютна. А сопла, из которых эмульсия вытекает на подложку, могут менять пропускную способность - засоряться, находиться в различных температурных режимах (сотые доли градуса, и эмульсия становится чуть более жидкой или вязкой). И так далее… Все это укладывается в нормы технологических допусков, но убеждает в том, что никакая фотопленка не способна давать при экспонировании абсолютно идентичные результаты даже в области кадрового окна фотоаппарата, не говоря уже обо всей поверхности ролика пленки.

В отличие от фотопленки светочувствительная матрица цифрового фотоаппарата фиксирует дискретные значения засветки. То есть там, где зерно галогенида серебра может иметь разную степень затемнения, элемент матрицы выдаст точную информацию - есть засветка элемента или нет. И матрица, таким образом, работает гораздо точнее, чем эмульсия фотопленки. Но только теоретически. На практике конкурировать с фотопленкой светочувствительному сенсору цифрового фотоаппарата пока трудно.

Дело в том, что самый миниатюрный светочувствительный элемент цифровой матрицы оказывается намного крупней зерна галогенида серебра самой крупнозернистой фотопленки. Сам элемент - это полупроводниковый прибор с вмонтированными в него проводниками. Обеспечить такую степень миниатюризации, чтобы элемент сенсора был хотя бы сравним с зерном фотоэмульсии по величине, современные технологии пока не в состоянии.

Это первая причина. Вторая причина кроется в способах получения цветного изображения. На фотопленке цветное изображение строится при помощи трех (иногда более) светочувствительных слоев, каждый из которых отделен от предыдущего окрашенным прозрачным слоем, выполняющим функции светофильтра. На светочувствительности и величине зернистости пленки это сказывается мало (хотя величина зерен галогенидов в глубинных слоях эмульсии должна быть больше, чем в слоях наружных - для обеспечения равномерной цветочувствительности).

В цифровом сенсоре для получения цветного изображения используются, в основном, два способа. В более совершенных цифровых камерах профессионального уровня (в специальных фото и в большинстве массовых и профессиональных видеокамер высокого уровня) применяются три раздельные матрицы, каждая из которых снабжена светофильтром базового цвета - красным, зеленым, синим. Матрицы располагаются под углом друг к другу. Лучи света, проходящие через объектив, преломляются специальной призмой и делятся на три потока, каждый из которых экспонирует "свою" матрицу. На основе трех базовых цветовых каналов электроникой камеры и строится полноцветное изображение.

В большинстве цифровых фотоаппаратов применяется иная технология. Поток сфокусированного объективом света проходит через массив цветных светофильтров так называемой "цветовой модели Байера". В этой системе красные, зеленые и синие фильтры расположены в шахматном порядке, а количество зеленых фильтров в два раза больше, чем красных или синих. При этом красные и синие фильтры расположены между зелеными. Большее количество зеленых фильтров обусловлено тем, что наши глаза более чувствительны к зеленому цвету.

Массив фильтров состоит из множества микроскопических светофильтров, каждый из которых взаимодействует с одной ячейкой светочувствительной матрицы. То есть можно сказать, что каждый элемент цветного изображения ( пиксель ) состоит из трех субэлементов. Но при этом разрешение сенсора не уменьшается втрое, поскольку изображение строится на основе механизмов интерполяции, то есть с учетом яркости (интенсивности генерируемого ячейками электрического сигнала) всех элементов.

В фотоаппаратах с сенсорами ПЗС ( CCD ) формирование цветного изображения строится в специальном устройстве после преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал. В фотоаппаратах с сенсорами архитектуры КМОП ( CMOS ) смешение цветов может производиться непосредственно в самом сенсоре. Но и в том, и в другом случае, повторим еще раз, цветное изображение строится по специальным математическим алгоритмам методом интерполяции - то есть с учетом яркости соседних элементов каждого из базовых цветов.

Сенсоры цифровых фотоаппаратов проигрывают фотопленке по множеству параметров. Сенсоры имеют небольшой динамический диапазон (число различимых градаций между абсолютно белым и абсолютно черным), склонны к цветовым шумам (ореолам вокруг границ, разделяющих элементы изображения с большим перепадом яркости, например, вокруг фигур, снятых на освещенном фоне), имеют невысокую светочувствительность (обычно около 50-100 единиц ISO). Наконец, физический размер наиболее распространенных сенсоров меньше, чем стандартный для узкой пленки размер кадрового окна 24х36 мм.

Последний параметр - физический размер - имеет принципиально важное значение. Аргумент элементарно простой - на большей площади кадра умещается большее количество светочувствительных элементов, зерен галогенида серебра или электронных элементов сенсора. Чем больше светочувствительных элементов, тем больше мелких деталей изображения будет зафиксировано фотоаппаратом. И тем больше будет разрешение снимка, позволяющее увеличивать фотографии при печати без видимой потери качества.

В истории фотографии известны случаи попыток введения новых стандартов на узкую пленку. В тридцатые годы прошлого века в Латвии был выпущен сверхкомпактный фотоаппарат Minox, предназначенный для съемки на 16-миллиметровую неперфорированную негативную пленку. Фотоаппарат имел специальное назначение (он применялся в разведке) и получился очень удачным. В шестидесятые-семидесятые годы в СССР выпускались его функциональные аналоги - фотоаппараты "Нарцисс" и "Киев-Вега". Современные варианты 16-мм фотоаппаратов выпускаются швейцарской фирмой Minox и сегодня, но только в качестве миниатюрных копий классических камер Leica, предназначенных для коллекционеров и любителей такого рода техники.

16-миллиметровый формат пленки не прижился потому, что площадь кадра была недостаточной для печати бумажных снимков размером больше, чем 9х12 сантиметров. Даже сегодня, когда цветная негативная пленка крупнейших мировых производителей имеет максимальную, приближающуюся к теоретическому пределу, разрешающую способность, 16-миллиметровый формат для получения отпечатков нормального размера явно недостаточен (хотя подобная пленка выпускается и продается в небольших количествах под той же маркой Minox).

Этот пример показывает значимость такой характеристики, как размер кадрового окна, а в цифровом фотоаппарате - светочувствительного сенсора.

Положение усугубляется еще и тем, что матрица цифрового фотоаппарата используется не полностью. Область кадрового окна занимает большую часть центральной области сенсора, но крайние ряды элементов сенсора в фиксации изображения не участвуют, выполняя служебные функции (поэтому говорят о полном и эффективном значениях разрешения матрицы).

Не следует забывать и о "врожденных пороках" светочувствительных сенсоров, в частности, о "битых пикселях". В процессе массового производства изготовить стопроцентно работоспособную матрицу практически невозможно. Каждый элемент сенсора имеет настолько малые размеры, что начинают сказываться особенности молекулярного строения применяемых материалов. Несколько молекул газа, проникшего в область пограничного слоя полупроводника, способны вывести светочувствительный элемент из строя. В результате сенсоры всех цифровых фотоаппаратов имеют несколько неработающих светочувствительных элементов. Но без специальных тестовых операций обнаружить эти пороки трудно, поскольку единичные неработающие элементы по краям кадрового окна незаметны, а сенсоры с "битыми" элементами в группах отбраковываются на заводе.

Еще одно несомненное преимущество цифровой фотографии состоит в простоте обработки готовых снимков. Для занятий творческой фотографией обладателю пленочной камеры придется обзавестись необходимым оборудованием - проявочной машиной (или набором бачков и ванночек), увеличителем, набором реактивов и самой темной комнатой. Что практически равнозначно приобретению в личное пользование всего комплекса оборудования мини-лаборатории (которые, как мы уже говорили, изживают себя, уступая место цифровым мини-лабам). Либо… все же сменить пленочную камеру на цифровой фотоаппарат и персональный компьютер.

Именно персональный компьютер является фотолабораторией для цифровой фотографии. Сам фотоаппарат при этом можно рассматривать как очередное периферийное устройство для ПК, трехмерный сканер с возможностью удаленного и автономного функционирования.

Но в последние годы фотолюбители получили более широкие возможности. Помимо услуг специализированных лабораторий или приобретения персонального компьютера, они могут приобрести небольшой и недорогой принтер для прямой печати снимков. Речь о сублимационных и струйных цветных принтерах, рассчитанных на фиксированный формат отпечатка (обычно 10х15 см и, в качестве опции, меньше). Впрочем, эти недорогие печатающие устройства приобретаются чаще всего не вместо компьютера, а в дополнение к нему - в качестве портативного принтера, позволяющего получать фотоотпечатки, когда компьютер недоступен. Если же использовать только пару "фотоаппарат - принтер" и попытаться обойтись без компьютера, то фотолюбитель получит более дорогой аналог услуг мини-лаборатории, работающей с пленочными негативами. Набор инструментов для обработки снимков будет чуть расширен (станут доступными экспокоррекция при печати, исправление цветовых искажений и, возможно, небольшое масштабирование), но для творчества останется явно недостаточным.

Наконец, еще об одном очевидном преимуществе цифрового фотоаппарата перед пленочным. Любая современная цифровая камера оснащена цветным дисплеем. И это замечательный инструмент для обучения азам фотографии и совершенствования мастерства, который трудно переоценить.

Только что отснятый кадр выводится на встроенный в камеру экран. Снимок можно увеличить, чтобы разглядеть детали. Можно оценить правильность выбора экспозиционных параметров и композиционное решение. Если фотограф чем-то не удовлетворен, переснять кадр можно тут же, не дожидаясь лабораторной обработки и распечатки на бумаге. Согласитесь, лучшего фотоаппарата для обучения не найти. Даже с очень качественным пленочным фотоаппаратом начинающий фотолюбитель не получит ни малейшего представления о том, ошибся ли он только что, сняв любопытный кадр, насколько снимок оказался удачным, что следует изменить, дабы не допустить подобных ошибок в будущем. Вспомнить обстоятельства съемки потом, когда мини-лаборатория отпечатает готовые фотографии, очень непросто. Особенно если в лабораторию сдается несколько пленок скопом (как обычно и случается).

Другое важное достоинство встроенного контрольного дисплея - возможность его использования в качестве электронного видоискателя, функционального аналога матового стекла. Этот изрядно забытый инструмент - матовое стекло - применялся в пластиночных и зеркальных одно- и двухобъективных среднеформатных камерах для точного построения кадра. В принципе, пользоваться контрольным дисплеем цифрового фотоаппарата, как видоискателем, даже удобней, поскольку классическое матовое стекло дает перевернутое изображение.

Дисплей способен функционально заменить и видоискатель узкопленочных зеркальных фотоаппаратов со встроенной оборачивающей пентапризмой. Изображение на контрольном экране цифрового фотоаппарата соответствует изображению, которое фиксируется светочувствительным сенсором. То есть фотограф видит на экране именно то, что будет отснято. Очень удобно для макросъемки и съемки через микроскоп.

Более того, в компактных и ультракомпактных камерах начального и среднего уровня, в просьюмерских аппаратах, предназначенных для творческой съемки и даже в таких полупрофессиональных "ультразумах", как Sony DSC-R1, электронный цветной дисплей используется в качестве основного и единственного видоискателя. Хотя в зеркальных цифровых камерах (и в этом их несомненное достоинство) используется исключительно оптический видоискатель реального изображения, а контрольный дисплей используется лишь для просмотра готовых снимков и для управления камерой посредством системы экранных меню.