Від плівки до цифрового фото

На перший погляд переваги цифрової фотографії перед фотографією традиційної не цілком очевидні. Але насправді це справжня революція у светописи, що повністю усуває саме поняття старіння оригіналів знімків. Крім цього цифрові методи фіксації зображень зробили фотографію воістину масової.

Ціль лекції - розповідь про принципові розходження між традиційною аналоговою й новою цифровий фототехнологіями. Тут же приводяться відомості про будову світлочутливих матеріалів на основі галогенидов срібла й цифрових світлочутливих матриць.

У наш час фотоапарат є не тільки в кожному будинку, але й просто в кожної людини (якщо, звичайно, уважати фотоапаратом стільниковий телефон з убудованою камерою). Причому, мова йде тільки про цифрові фотоапарати. Ніколи повсюдно розповсюджена плівкова камера, пройшовши майже двохсотлітній шлях розвитку, зійшла зі сцени.

Нам здавалося, що плівка ще буде жити - не як інструмент професіонала (а вона в цій якості проіснує дуже довго), а як популярний, доступний, недорогий носій інформації. Але з моменту випуску на масовий ринок доступних цифрових камер пройшло всього 6-7 років. И вже на початку 2007 року ми із працею відшукаємо у своєму місті гарну лабораторію по обробці й печатці фотографій, що працює за традиційною технологією. А в магазинах майже немає гарних плівкових камер (під гарними маються на увазі доступні дзеркальні фотоапарати аматорського класу й більш-менш зроблені в технологічному змісті "мильниці"). І взагалі, століття плівки завершився. Наступило століття "цифри"...

Із цього приводу можна засмучуватися, а можна й радуватися. Якщо винахід у кінці 19 століття Джорджем Истменом, засновником компанії Kodak, міні-лабораторій і дешевих фотоапаратів зробило фотографію доступної, то винахід у кінці 20 століття цифрових камер зробило її воістину масової. При цьому під словом "масова" ми розуміємо поширеність всеосяжну й навіть абсолютну.

Дійсно, що коштувало захоплення фотографією звичайній людині, скажемо, в 70-е роки минулого століття, коли випускалися плівкові камери класичної конструкції, на ринку з'явилися інтелектуальні автоматичні фотоапарати, а по усьому світі, як гриби після дощу, з'являлися невеликі лабораторії проявлення й печатки знімків? Вартість самої камери в розрахунок можна не брати - це разові витрати (навіть якщо здобувається дорогий дзеркальний фотоапарат). Плівка, проявлення, папір, печатка. Гроші начебто б і невеликі, але - гроші.

А сьогодні досить купити лише фотоапарат, а комп'ютер, цифрова "лабораторія" по обробці знімків, незабаром буде в кожній родині. І витрати на щоденну зйомку (якщо, звичайно, не роздруковувати всі кадри підряд на папері) виходять, практично, нульові.

От де роздолля захопленому фотографією людині! Хоча, чому тільки захопленому? Навіть якщо ми знімаємо лише час від часу, по святах, у туристичних поїздках - ми теж з повним на те правом можемо називати себе фотолюбителями. Нехай светопись не перебуває в числі наших улюблених занять. Нехай фотоапарат ми використовуємо тільки як реєстратор подій, знімаємо винятково побутові сюжети й, як говоритися, "зірок з неба не вистачаємо". Зрештою, власник гарної ручки не зобов'язаний бути письменником, а власник автомобіля - гонщиком. Точно так само людина, що купила цифрову камеру, вільний знімати тоді, коли захочеться або коли буде потрібно...

Окрема розмова про камерофонах - про гібриди стільникового телефону й цифрового фотоапарата. Звичайно, це не фотоапарати в повному розумінні слова. Це - необов'язкове мультимедійне доповнення до телефону (смартфону або коммуникатору). Більшість із нас уже знає - знімати камерофоном можна, але розраховувати на гарні в технічному плані (про творчість тут говорити не будемо) результати не коштує. Тому камерофон фотоапарата не замінить. І навіть так - дуже гарний, самий дорогою камерофон не здатний конкурувати по якості знімків із самою недорогою цифровою "мильницею". У всякому разі - поки. А що буде далі, подивимося.

Рис. 2.1. Сучасний камерофон Sony Ericsson

Так що ж - шкода плівку? Шкода. І разом з тим, бурхливий розквіт цифрової фотографії став тим подією, що здатна змінити саму картину буденного життя - так само, як змінив її стільниковий зв'язок. І, слово честі, тут немає ні найменшої причини для зневіри. Навпроти, все цікаве тільки починається...

Знову повернемося до історії.

Як це ні дивно, родоначальницею цифрової фотографії стала не "фотографічна" компанія, а електронний гігант Sony. Саме в надрах лабораторій Sony на початку вісімдесятих років двадцятого століття народився проект Mavica, у якому були сформульовані, а потім і реалізовані основні принципи цифрової фотографії, в основі своєї оставшиеся непорушними до цих пор.

Рис. 2.2. Sony Mavica 1981 року

У чому принципова відмінність цифрової фотографії від фотографії плівкової? У способі реєстрації й зберігання зображень. Традиційна фотографія фіксує зображення в аналоговому виді. Світло, що проходить через об'єктив і сфальцьований на поверхні плівки, викликає зміна оптичної щільності солей срібла світлочутливої емульсії. Ступінь потемніння емульсії відповідає рівню засветки. Тобто світлочутливий елемент плівки - зерно галогенида срібла - змінює свої характеристики пропорційно експозиції.

Для одержання остаточного результату зйомки - готового відбитка - плівку піддають хімічній обробці, тобто прояву, закріпленню, промиванню й сушінню. Плівка в традиційній фотографії - це проміжний носій інформації. При цьому зображення на фотоплівці після проявлення стає видимим, але негативним і дзеркально зверненим.

Далі із плівкового негатива зображення переносять на фотопапір за допомогою повторної експозиції. Через збільшувач або верстат для контактної печатки негативне зображення проектується на поверхню світлочутливого фотопаперу. Потім проэкспонированная папір проявляється, фіксується, промивається й просушується. Цей процес практично ідентичний процесу обробки фотоплівки. Фотопапір у цьому випадку стає остаточним носієм інформації...

Ця, здавалася б, елементарно проста технологія одержання фотозображень насправді занадто складна. Багатоступінчаста обробка ще не найбільший її мінус. Основний недолік традиційної фотографії в тім, що в ній використовується різнорідні й несумісні ні із чим носії інформації.

Спробуйте, приміром, проілюструвати звичайний лист якою-небудь "паперовою" фотографією. Спосіб лише один - наклеїти фотовідбиток на аркуш паперу, на якому написане цей лист (тобто спробувати сполучити два принципово несумісних носії інформації)... А якщо мова йде про друковане видання? А про відеофільм, якому необхідно доповнити фотозображеннями (так ще й спеціальним образом трансформованими)?

Далі - зберігання знімків. Ми звикли до того, що особистий або сімейний фотоархів зберігається у вигляді фотоальбому - паперової книги з уклеєними в нього (або закріпленими яким-небудь іншим способом) фотовідбитками. Але іноді виникає необхідність відновити втрачені або зіпсовані часом знімки. Без повторної печатки тут не обійтися. Тому ми змушені зберігати ще й архів плівкових негативів.

Схоронність виявленої фотоплівки, як, втім, і паперових фотовідбитків, залежить від двох факторів - від фізичних характеристик самої плівки (або паперу) і від дотримання технології її хімічної обробки.

Старі негативні плівки мали целулоїдну подложку. Згодом целулоїд подложки збезводнюється й стає ламким. Старі негативи дуже важко зберегти неушкодженими.

Досить непросто обстоит справа й зі схоронністю емульсії. Виготовлена на основі желатину емульсія також піддана висиханню. Крім того, емульсія старих плівок і паперу схильна до зміни кольору - з роками вона жовтіє.

У сучасних фототехнічних матеріалах проблема довгострокового зберігання негативів і готових знімків у значній мірі вирішена. Подложка плівки виготовляється з довговічного лавсану й інших штучних матеріалів, емульсійний шар плівки захищений ласий, а паперу - полімерним покриттям. Але це не знімає проблеми механічних ушкоджень негативів. Плівку можна подряпати, забруднити, ушкодити розчинниками й так далі.

Ще одна неприємна властивість архіву плівкових негативів - його абсолютна нефункціональність. Що таке архів негативів? Курні коробки зі знятими плівками, які зберігаються де-небудь у шафі й не використовуються ніяк. Негативи потрібні лише як страхова копія альбомних фотовідбитків, це єдине їхнє призначення. А місце в просторі наших будинків і офісів вони займають (і чимале, якщо фотолюбитель знімає більш-менш активно, і величезне, якщо мова йде про редакцію періодичного видання або про спеціалізований архів).

Головне достоїнство цифрової фотографії в тім, що зняті зображення зберігаються у вигляді цифрового коду. Цифровий фотознімок - це якийсь обсяг оцифрованной інформації, що може використовуватися разом із цифровими даними будь-якого іншого типу, наприклад, з текстовими. Комп'ютер зчитує цифрові дані з носія інформації й будує на екрані монітора зображення, ідентичне тому, що було зафіксовано світлочутливим сенсором фотоапарата в момент зйомки.

Цифрові фотографії зберігаються в пам'яті комп'ютера або на носіях у вигляді графічних файлів стандартних типів. Це дозволяє уніфікувати знімки, зробивши їх сумісними з будь-якими комп'ютерами, друкувальними пристроями, іншими цифровими фотоапаратами. Приміром, знімки, отримані за допомогою одного фотоапарата, можна переписати на карту флэш-пам'яті, перенести на інший фотоапарат і переглянути їх на його убудованому контрольному дисплеї. Ясно, що потреби в подібній процедурі не виникає (а сама можливість існує тільки теоретично, оскільки кожному знімку комп'ютер фотоапарата привласнює унікальне ім'я й працює тільки з ним). Набагато частіше нам доводиться переносити цифрові фотографії з комп'ютера на комп'ютер, у тому числі й на кишеньковий, або роздруковувати на різного роду друкувальних пристроях. І те, і інше не викликає проблем саме через те, що знімки зберігаються у вигляді стандартних графічних файлів.

Рис. 2.3. Цифровий фотоапарат Panasonic Lumix

Процес оцифровки зображення цифровим фотоапаратом виглядає в такий спосіб. Світловий потік фокусируется об'єктивом (таким же, як і в плівковому фотоапараті) на поверхні матриці мікроскопічних напівпровідникових світлочутливих елементів. У момент спрацьовування затвора або запуску електронного механізму миттєвого зчитування стану матриці (останнє застосовується в камерах початкового рівня) комп'ютер фотокамери фіксує стан засвічених елементів. При цьому аналого-цифровий перетворювач (АЦП) фотоапарата перетворить електричні потенціали кожного елемента в набір цифрових сигналів (логічних нулів і одиниць). Інформація фіксується в дискретному виді - засвічений елемент матриці або не засвічений. Потім оцифрованное АЦП зображення записується на згадку фотоапарата.

Рис. 2.4. Цифровий фотоапарат Canon EOS 400D

Це гранично спрощена схема роботи цифрової камери, що дає лише загальне подання про принципові розходження між традиційною плівковою й цифровою фотографією. Але й вона показує, що ускладнення технології фіксації зображення насправді приводить до значного спрощення його подальшої обробки й підвищенню точності роботи фотоапарата.

Спочатку звернемося саме до точності. Від чого залежить технічна якість плівкового знімка? Як видно, від конструкції самого фотоапарата (його об'єктива й затвора), правильної установки експозиційних параметрів і, саме головне, від характеристик і якості виготовлення застосовуваних фотоматеріалів.

Світлочутливий шар негативної фотоплівки складається із зерен галогенидов срібла, рівномірно розподілених у товщі емульсії. Однак величина й форма зерен не ідентичні - навіть при сучасному рівні технологій досягти цього неможливо. Отже, деякі зерна галогенидов мають більше високу світлочутливість (оскільки в них більше солей срібла), інші - меншої. Виходить, і ступінь фіксації засветки на різних ділянках емульсії буде хоч незначно, але відрізнятися.

Потім наступає черга самої речовини емульсії. Полив емульсії на подложку плівки здійснюється спеціальною машиною. Швидкість протягання прозорої лавсанової стрічки постійна, але не абсолютна. А сопла, з яких емульсія випливає на подложку, можуть міняти пропускну здатність - засмічуватися, перебувати в різних температурних режимах (соті частки градуса, і емульсія стає ледве більше рідкої або в'язанням). І так далі... Все це укладається в норми технологічних допусків, але переконує в тім, що ніяка фотоплівка не здатна давати при експонуванні абсолютно ідентичні результати навіть в області кадрового вікна фотоапарата, не говорячи вже про всю поверхню ролика плівки.

На відміну від фотоплівки світлочутлива матриця цифрового фотоапарата фіксує дискретні значення засветки. Тобто там, де зерно галогенида срібла може мати різний ступінь затемнення, елемент матриці видасть точну інформацію - є засветка чи елемента ні. І матриця, таким чином, працює набагато точніше, ніж емульсія фотоплівки. Але тільки теоретично. На практиці конкурувати з фотоплівкою світлочутливому сенсору цифрового фотоапарата поки важко.

Справа в тому, що самий мініатюрний світлочутливий елемент цифрової матриці виявляється набагато крупней зерна галогенида срібла самої грубозернистої фотоплівки. Сам елемент - це напівпровідниковий прилад із вмонтованими в нього провідниками. Забезпечити такий ступінь мініатюризації, щоб елемент сенсора був хоча б зрівняємо із зерном фотоемульсії по величині, сучасні технології поки не в змозі.

Це перша причина. Друга причина криється в способах одержання кольорового зображення. На фотоплівці кольорове зображення будується за допомогою трьох (іноді більше) світлочутливих шарів, кожний з яких відділений від попереднім пофарбованим прозорим шаром, що виконує функції світлофільтра. На світлочутливості й величині зернистості плівки це позначається мало (хоча величина зерен галогенидов у глибинних шарах емульсії повинна бути більше, ніж у шарах зовнішніх - для забезпечення рівномірної світлочутливості).

У цифровому сенсорі для одержання кольорового зображення використовуються, в основному, два способи. У більше зроблених цифрових камерах професійного рівня (у спеціальні фото й у більшості масових і професійних відеокамер високого рівня) застосовуються три роздільні матриці, кожна з яких постачена світлофільтром базового кольору - червоним, зеленим, синім. Матриці розташовуються під кутом друг до друга. Промені світла, що проходять через об'єктив, переломлюються спеціальною призмою й діляться на три потоки, кожний з яких експонує "свою" матрицю. На основі трьох базових колірних каналів електронікою камери й будується полноцветное зображення.

Рис. 2.5. Сенсор цифрового фотоапарата

У більшості цифрових фотоапаратів застосовується інша технологія. Потік сфальцьованого об'єктивом світла проходить через масив кольорових світлофільтрів так званої "колірної моделі Байера". У цій системі червоні, зелені й сині фільтри розташовані в шаховому порядку, а кількість зелених фільтрів у два рази більше, ніж червоних або синіх. При цьому червоні й сині фільтри розташовані між зеленими. Більша кількість зелених фільтрів обумовлене тим, що наші очі більше чутливі до зеленого кольору.

Масив фільтрів складається з безлічі мікроскопічних світлофільтрів, кожний з яких взаємодіє з одним осередком світлочутливої матриці. Тобто можна сказати, що кожний елемент кольорового зображення (пиксель) складається із трьох субэлементов. Але при цьому дозвіл сенсора не зменшується втроє, оскільки зображення будується на основі механізмів інтерполяції, тобто з урахуванням яскравості (інтенсивності генерируемого осередками електричного сигналу) всіх елементів.

У фотоапаратах із сенсорами ПЗС (CCD) формування кольорового зображення будується в спеціальному пристрої після перетворення аналогового сигналу в цифровий сигнал. У фотоапаратах із сенсорами архітектури КМОП (CMOS) змішання квітів може вироблятися безпосередньо в самому сенсорі. Але й у тім, і в іншому випадку, повторимо ще раз, кольорове зображення будується по спеціальних математичних алгоритмах методом інтерполяції - тобто з урахуванням яскравості сусідніх елементів кожного з базових квітів.

Сенсори цифрових фотоапаратів програють фотоплівці по безлічі параметрів. Сенсори мають невеликий динамічний діапазон (число помітних градацій між абсолютно білим і абсолютно чорним), схильні до колірних шумів (ореолам навколо границь, що розділяють елементи зображення з більшим перепадом яскравості, наприклад, навколо фігур, знятих на освітленому тлі), мають невисоку світлочутливість (звичайно біля 50-100 одиниць ISO). Нарешті, фізичний розмір найпоширеніших сенсорів менше, ніж стандартний для вузької плівки розмір кадрового вікна 24х36 мм.

Останній параметр - фізичний розмір - має принципово важливе значення. Аргумент елементарно простій - на більшій площі кадру вміщається більша кількість світлочутливих елементів, зерен галогенида срібла або електронних елементів сенсора. Чим більше світлочутливих елементів, тим більше дрібних деталей зображення буде зафіксовано фотоапаратом. І тем більше буде дозвіл знімка, що дозволяє збільшувати фотографії при печатці без видимої втрати якості.

В історії фотографії відомі випадки спроб введення нових стандартів на вузьку плівку. У тридцяті роки минулого століття в Латвії був випущений надкомпактний фотоапарат Minox, призначений для зйомки на 16-міліметрову неперфоровану негативну плівку. Фотоапарат мав спеціальне призначення (він застосовувався в розвідці) і вийшов дуже вдалим. У шістдесяті-сімдесяті роки в СРСР випускалися його функціональні аналоги - фотоапарати "Нарцис" і " Київ-Вега". Сучасні варіанти 16-мм фотоапаратів випускаються швейцарською фірмою Minox і сьогодні, але тільки як мініатюрні копії класичних камер Leica, призначених для колекціонерів і аматорів такого роду техніки.

Рис. 2.6. "Шпигунський" плівковий Minox

Рис. 2.7. Радянська копія Minox - камера " Київ-Вега"

16-міліметровий формат плівки не прижився тому, що площа кадру була недостатньої для печатки паперових знімків розміром більше, ніж 9х12 сантиметрів. Навіть сьогодні, коли кольорова негативна плівка найбільших світових виробників має максимальну, що наближається до теоретичної межі, що дозволяє здатність, 16-міліметровий формат для одержання відбитків нормального розміру явно недостатній (хоча подібна плівка випускається й продається в невеликих кількостях під тією же маркою Minox).

Цей приклад показує значимість такої характеристики, як розмір кадрового вікна, а в цифровому фотоапараті - світлочутливого сенсора.

Положення збільшується ще й тим, що матриця цифрового фотоапарата використовується не повністю. Область кадрового вікна займає більшу частину центральної області сенсора, але крайні ряди елементів сенсора у фіксації зображення не беруть участь, виконуючи службові функції (тому говорять про повні й ефективні значення дозволу матриці).

Не слід забувати й про "уроджені пороки" світлочутливих сенсорів, зокрема, про "битий пикселях". У процесі масового виробництва виготовити стопроцентно працездатну матрицю практично неможливо. Кожний елемент сенсора має настільки малі розміри, що починають позначатися особливості молекулярної будови застосовуваних матеріалів. Кілька молекул газу, що проникнув в область прикордонного шару напівпровідника, здатні вивести світлочутливий елемент із ладу. У результаті сенсори всіх цифрових фотоапаратів мають кілька непрацюючих світлочутливих елементів. Але без спеціальних тестових операцій виявити ці пороки важко, оскільки одиничні непрацюючі елементи по краях кадрового вікна непомітні, а сенсори з "битими" елементами в групах відбраковуються на заводі.

Ще одна безсумнівна перевага цифрової фотографії складається в простоті обробки готових знімків. Для занять творчою фотографією власникові плівкової камери прийде обзавестися необхідним устаткуванням - проявочной машиною (або набором бачків і ванночок), збільшувачем, набором реактивів і самою темною кімнатою. Що практично рівнозначно придбанню в особисте користування всього комплексу встаткування міні-лабораторії (які, як ми вже говорили, зживають себе, поступаючись місцем цифровим мини-лабам). Або... все-таки перемінити плівкову камеру на цифровий фотоапарат і персональний комп'ютер.

Саме персональний комп'ютер є фотолабораторією для цифрової фотографії. Сам фотоапарат при цьому можна розглядати як черговий периферійний пристрій для ПК, тривимірний сканер з можливістю вилученого й автономного функціонування.

Рис. 2.8. Комп'ютер Макінтош, відмінне рішення для аматорської фотографії

Але в останні роки фотолюбителі одержали більше широкі можливості. Крім послуг спеціалізованих лабораторій або придбання персонального комп'ютера, вони можуть придбати невеликий і недорогий принтер для прямої печатки знімків. Мова про сублимационных і струминні кольорові принтери, розрахованих на фіксований формат відбитка (звичайно 10х15 див і, як опція, менше). Втім, ці недорогі друкувальні пристрої здобуваються найчастіше не замість комп'ютера, а на додаток до нього - як портативний принтер, що дозволяє одержувати фотовідбитки, коли комп'ютер недоступний. Якщо ж використовувати тільки пару "фотоапарат - принтер" і спробувати обійтися без комп'ютера, то фотолюбитель одержить більше дорогий аналог послуг міні-лабораторії, що працює із плівковими негативами. Набір інструментів для обробки знімків буде ледве розширений (стануть доступними экспокоррекция при печатці, виправлення колірних перекручувань і, можливо, невелике масштабування), але для творчості залишиться явно недостатнім.

Рис. 2.9. Портативний фотопринтер

Нарешті, ще про одну очевидну перевагу цифрового фотоапарата перед плівковим. Будь-яка сучасна цифрова камера оснащена кольоровим дисплеєм. І це чудовий інструмент для навчання азам фотографії й удосконалювання майстерності, що важко переоцінити.

Тільки що знятий кадр виводиться на убудований у камеру екран. Знімок можна збільшити, щоб розглянути деталі. Можна оцінити правильність вибору експозиційних параметрів і композиційне рішення. Якщо фотограф чимсь не вдоволений, перезняти кадр можна відразу, не чекаючи лабораторної обробки й роздруківки на папері. Погодитеся, кращого фотоапарата для навчання не знайти. Навіть із дуже якісним плівковим фотоапаратом починаючий фотолюбитель не одержить ні найменшого подання про те, чи помилився він тільки що, знявши цікавий кадр, наскільки знімок виявився вдалим, що варто змінити, щоб не допустити подібних помилок у майбутньому. Згадати обставини зйомки потім, коли міні-лабораторія віддрукує готові фотографії, дуже непросто. Особливо якщо в лабораторію здається кілька плівок скопою (як звичайно й трапляється).

Інше важливе достоїнство убудованого контрольного дисплея - можливість його використання як електронний видошукач, функціонального аналога матового скла. Цей неабияк забутий інструмент - матове скло - застосовувався в пластинкові й дзеркальних одне- і двухобъективных среднеформатных камерах для точної побудови кадру. У принципі, користуватися контрольним дисплеєм цифрового фотоапарата, як видошукачем, навіть удобней, оскільки класичне матове скло дає перевернене зображення.

Дисплей здатний функціонально замінити й видошукач узкопленочных дзеркальних фотоапаратів з убудованої що обертає пентапризмой. Зображення на контрольному екрані цифрового фотоапарата відповідає зображенню, що фіксується світлочутливим сенсором. Тобто фотограф бачить на екрані саме те, що буде знято. Дуже зручно для макрозйомки й зйомки через мікроскоп.

Рис. 2.10. Об'єктив фотоапарата Canon PowerShot G7

Більше того, у компактних і ультракомпактних камерах початкового й середнього рівня, у просьюмерских апаратах, призначених для творчої зйомки й навіть у таких напівпрофесійних "ультразумах", як Sony DSC-R1, електронний кольоровий дисплей використовується в якості основного і єдиного видошукача. Хоча в дзеркальних цифрових камерах (і в цьому їхнє безсумнівне достоїнство) використовується винятково оптичний видошукач реального зображення, а контрольний дисплей використовується лише для перегляду готових знімків і для керування камерою за допомогою системи екранних меню.

Рис. 2.11. Цифрова камера Sony DSC-R1