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