Цифровая сенситометрия Текст научной статьи по специальности «Физика»

ЦИФРОВАЯ СЕНСИТОМЕТРИЯ

Сергей Миронович Горбенко

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования, тел. (383) 361-07-26, e-mail: gorbenkos@ngs.ru

Лариса Александровна Головина

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доцент кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования, тел. (383) 361-08-66, e-mail: lar.golowina@ya.ru

В статье рассматриваются подходы при исследовании цифровых изображений и предлагаются новые характеристики для их оценки.

Ключевые слова: сенситометрические испытания, цифровое изображение.

DIGITAL SENSITOMETRY Sergey M. Gorbenko

Ph.D., Assoc. Prof., department of photogrammetry and remote sensing. Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo, 630108 Novosibirsk, phone: (383) 361-07-26, e-mail: gorbenkos@ngs.ru

Larisa A. Golovina

Assoc. Prof., department of photogrammetry and remote sensing. Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo, 630108 Novosibirsk, phone: (383) 361-08-66, e-mail:

lar.golowina@ya.ru

The approaches to the research of digital images are considered, new characteristics for their assessment are offered.

Key words: sensitometric tests, digital image.

Сенситометрия, как измерительный метод в фотографии, возникла в конце прошлого столетия в первую очередь применительно к задаче измерения градационных характеристик светочувствительных материалов. Благодаря этому методу стал возможен контроль процессов производства и химикофотографической обработки фотоматериалов.

При использовании обычных фотоаппаратов изображение фокусируется на фотографической плёнке со светочувствительным покрытием, содержащим кристаллы галоидного серебра. Во время химико-фотографической обработки изображение проявляется и фиксируется в эмульсионном слое. В цифровых фотоаппаратах и сканерах изображение фокусируется также на светочувствительный материал - полупроводниковую матрицу. Записывается и хранится изображение на картах памяти.

Основными сенситометрическими характеристиками в классической фотографии являются величина плотности вуали, светочувствительность, фотографическая широта, коэффициент контрастности. От учёта данных параметров при экспонировании и обработке отснятого материала напрямую зависит фотографическое качество полученного изображения.

Для цифровой матрицы также существуют оценочные критерии её фотографического качества. Во-первых, сенсор обладает определённой чувствительностью, которая, как и светочувствительность плёнки выражается в единицах ISO : 50, 100, 200, 400, 800, 1600. Чем выше чувствительность, тем меньшее количество света требуется для реакции на него регистрирующего устройства, но при этом повышается температура сенсора из-за перемещения свободных электронов и появляется «цифровой шум». При использовании фотографической плёнки с увеличением значения светочувствительности (увеличения размеров кристаллов галоидного серебра) уменьшается разрешающая способность изображения.

Чувствительность ПЗС-матрицы складывается из чувствительности всех ее пикселей и в целом зависит от двух параметров. Первый параметр — интегральная чувствительность, — представляющий собой отношение величины фототока (в миллиамперах) к световому потоку (в люменах) от источника излучения, спектральный состав которого соответствует вольфрамовой лампе накаливания. Этот параметр позволяет оценить чувствительность сенсора в целом.

Второй параметр — монохроматическая чувствительность, то есть отношение величины фототока (в миллиамперах) к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), соответствующей определенной длине волны. Набор всех значений монохроматической чувствительности для интересующей части спектра составляет спектральную чувствительность — зависимость чувствительности от длины волны света. Таким образом, спектральная чувствительность показывает возможности сенсора по регистрации оттенков определенного цвета.

Чувствительность пикселя матрицы зависит, во-первых, от площади светочувствительной области, а во-вторых, от квантовой эффективности, то есть отношения числа зарегистрированных электронов к числу упавших на поверхность сенсора фотонов.

Важной характеристикой матрицы является порог чувствительности — параметр регистрирующего свет устройства, характеризующий минимальную величину светового сигнала, который может быть зарегистрирован. Чем меньше этот сигнал, тем выше порог чувствительности. Главным фактором, ограничивающим порог чувствительности, является темновой ток и складывается он из электронов, попавших в яму при полном отсутствии светового потока. Если световой поток слаб, то величина фототока близка, а порой и меньше, чем величина темнового тока. Существует зависимость темнового тока от температуры сенсора — при нагревании матрицы на 9 градусов по Цельсию ее темновой ток возрастает в два раза. Аналогом порога

чувствительности матрицы в классической фотографии является плотность вуали галогенсеребряной эмульсии светочувствительного материала.

Как известно, светочувствительность пленки в пределах одной кассеты остается постоянной, иными словами — не может изменяться от кадра к кадру. Цифровая камера позволяет для каждого снимка устанавливать самое оптимальное значение эквивалентной чувствительности. Достигается это посредством усиления видеосигнала, исходящего с матрицы, — в чем-то такая процедура, называемая повышением эквивалентной чувствительности, напоминает вращение регулятора громкости проигрывателя.

Возможность сенсора формировать хороший снимок при разной освещенности и высокой контрастности определяется параметром динамический диапазон, характеризующим способность матрицы различать в изображении, проецируемом на ее регистрирующую поверхность, самые темные тона от самых светлых. При расширении динамического диапазона количество оттенков снимка будет увеличиваться, а переходы между ними будут максимально соответствовать изображению, формируемому объективом. Динамический диапазон может быть оценен по гистограмме - графику, показывающему распределение пикселов изображения по уровням яркости. На графике гистограммы по горизонтальной оси откладываются значения градации яркости по шкале серого цвета от 0 (чёрный) до 255 (белый), по вертикали -количество пикселей изображения, значения которых соответствуют каждой из градаций. По левой и правой границе гистограммы можно судить о минимальной и максимальной яркости изображения и таким образом определить динамический диапазон, охватывающий основную информацию изображения, и сделать вывод о его зауженности.

Для оценки градационных характеристик галогенсеребряных эмульсий существует отработанная методика, базирующаяся на объективных методах оценки и использующая измерение оптических плотностей на денситометре. Для цифровой фотографии таковой пока нет, а используемая субъективная оценка, описывает изображение терминами "светло", "темно", "неясно" или "неровно". Эти субъективные термины не всегда согласуются с объективными измерениями, такими яркость, интервал яркости, контраст.

Для объективности оценки тоновоспроизведения предлагается ввести три новых понятия- тоновая широта, тоновый коэффициент контрастности и коэффициент цветовой устойчивости (рис. 1).

Тоновый контраст аналогичен фотографической широте, используемой для оценки традиционных фотоматериалов, тоновый коэффициент контрастности-коэффициенту контрастности. Под понятием коэффициент тоновой устойчивости предлагается ввести величину, показывающую соотношение между полезным и паразитическим действием света на светочувствительную матрицу.

На схеме (рис.1) по оси Х откладываются идеальные значения цветовых составляющих, используемые при создании тест-объекта, по оси Y- реальные значения цветовых составляющих.

Для определения первых двух параметров на графике выделяется прямолинейный участок кривой (рис.1), затем определяются точки на оси Х и Y, соответствующие концу и началу прямолинейного участка и определяются разности величин, соответствующих этим точкам.

Величина АТ1 условно соответствует классической разности оптических плотностей, величина АТ2 - фотографической широте. Величину АТ2 назовем тоновой широтой LT, а отношение АТ1/ АТ1- коэффициентом тоновой контрастности уТ.

S

\

'v

S

ч

\т ч

"N

S

N

' N <

Рис. 1. Схема определения тоновой широты и коэффициента тоновой

контрастности

Коэффициент устойчивости КУ предлагается определять по формуле

АТ

1 осн

Т

1 ср.пар.

ЛТосн- диапазон тонов, воспроизводимых матрицей, соответствующих основному цвету;

Тср.пар- среднее значение двух оставшихся цветов (паразитических).

В таблице 1 представлены результаты исследований двух типов матриц по представленным выше параметрам.

Таблица 1. Результаты сенситометрических исследований

Тип матрицы Lt Ут Ky

ПЗС-матрица R 78 0,96 29,69

G 112 1,03 18,46

B 44 0,36 51,17

КМОП-матрица R 84 1,19 66,98

G 114 1,1 12,34

B 112 1,16 13,18

В дальнейшем планируется продолжить исследование цифровых аэрофотоаппаратов.

© С.М. Горбенко, Л.А. Головина, 2012