Fotografia cyfrowa i analogowa. Podobieństwa i różnice.

Transkrypt

1 Fotografia cyfrowa i analogowa. Podobieństwa i różnice. W niniejszym artykule chciałbym zwrócić uwagę na najważniejsze różnice występujące pomiędzy fotografią cyfrową i tradycyjną (analogową). Wyjaśnić ich źródła oraz wpływ na końcowy efekt w postaci zdjęcia. Tak naprawdę różnice pomiędzy tymi technikami dotyczą dwóch aspektów: powstawania obrazu i rejestracji obrazu. Pierwszy z nich związany jest z mniejszymi rozmiarami elementu rejestrującego obraz w aparacie cyfrowym w porównaniu z klatką filmu małoobrazkowego w aparacie tradycyjnym. W chwili, gdy rozmiary tych elementów zrównają się, zanikną również różnice. Póki co jednak większość aparatów cyfrowych posiada matryce mniejsze niż klatka filmu, co więcej promocja formatu 3:4 sugeruje, że różnica ta utrwali się, warto więc wiedzieć jakie konsekwencje pociąga za sobą różnica w rozmiarze elementu światłoczułego. Drugi obszar, czyli różnica w sposobie rejestracji obrazu, jest nierozłącznie związana z rozróżnieniem obydwu technik i będzie istniała zawsze. Zajmijmy się więc kolejno omówieniem każdego z tych zagadnień. Powstawanie obrazu. Zasady optyki pozostają oczywiście nie zmienione niezależnie od tego czy fotografujemy aparatem analogowym czy cyfrowym. Wydawać by się więc mogło, że wpływ optyki na ostateczny wygląd zdjęcia w obu rodzajach fotografii będzie taki sam. Tak jednak nie jest. Popatrzmy na rysunek 1a. Pokazano na nim obiektyw o długości ogniskowej f oraz klatkę filmu o długości przekątnej p. To co nas najczęściej interesuje przy robieniu zdjęcia, to kąt widzenia obiektywu, a więc wycinek całego pola widzenia, który będzie widoczny na zdjęciu. Kąt ten, nazwany tutaj α, zaznaczono na rysunku. Jak widać wielkość tego kąta zależy zarówno od ogniskowej jak i rozmiaru klatki filmu. W tradycyjnej fotografii wykorzystuje się filmy o bardzo różnych rozmiarach klatki, jednak najbardziej popularnym formatem, który stał się defacto standardem, jest format małoobrazkowy o rozmiarach klatki 24mm x 36mm czyli o długości przekątnej ok. 43,27mm. Znając długość ogniskowej obiektywu możemy ocenić czy jest to obiektyw normalny (np. 58mm), szerokokątny (np. 28mm) Rysunek 1Zależność kąta widzenia obiektywu od czy też teleobiektyw (np. 150mm). Ocena ta jednak ogniskowej i rozmiaru elementu światłoczułego związana jest z milczącym założeniem, że odnosimy się właśnie do standardu klatki 24x36. Rozmiar elementów światłoczułych CCD (lub CMOS) w większości aparatów cyfrowych jest różny od standardu filmu małoobrazkowego. Różnica ta powoduje, że nasze przyzwyczajenia dotyczące kąta widzenia obiektywów nie przystają do rzeczywistości aparatów cyfrowych. Co więcej elementy światłoczułe mogą mieć bardzo różne rozmiary. Do każdego aparatu trzeba by więc stosować inne kryteria oceny czy obiektyw jest szeroko czy wąskokątny. Wybrano prostsze rozwiązanie. Ogniskowe w aparatach cyfrowych przeliczane są na odpowiadającą temu samemu kątowi widzenia długość ogniskowej w aparacie małoobrazkowym. Popatrzmy na rysunek 1b. Jeżeli element CCD o długości przekątnej p *, krótszej niż dla klatki filmu małoobrazkowego, umieścimy w odległości ogniskowej to kąt widzenia obiektywu α * zmniejszy się. Ten sam obiektyw, który dla tradycyjnego aparatu był obiektywem normalnym, dla aparatu cyfrowego stanie się teleobiektywem. Jeśli chcemy zachować kąt widzenia, to musimy element CCD zbliżyć do obiektywu na odległość f * (rysunek 1c). Łatwo pokazać, że - 1 -

2 odległość ta musi być tyle razy mniejsza, ile razy przekątna elementu CCD jest mniejsza od przekątnej klatki filmu małoobrazkowego. W praktyce oznacza to, że jeżeli mamy podaną ogniskową obiektywu w aparacie cyfrowym f * to żeby wyliczyć jej odpowiednik dla aparatu małoobrazkowego f trzeba przemnożyć f * przez stosunek przekątnych p/p *. Oczywiście stosunek ten jest podawany przez producentów dla każdego aparatu. Dla przykładu dla aparatu Minolta A1długość przekątnej CCD to około 11mm stąd przelicznik wynosi około 3,9. Obiektyw A1 ma zmienną ogniskową w zakresie 7,2mm 50,8mm, co w przeliczeniu na aparat małoobrazkowy daje zakres ogniskowych od około 28mm do prawie 200mm. Wiele aparatów ma jeszcze mniejsze elementy CCD. Na przykład Sony DSC-S90 ma przekątną równą około 6.7mm i odpowiadający jej przelicznik 6,45. Fakt przeliczania (odpowiedniości) długości ogniskowych w aparatach cyfrowych i analogowych nie miałby wielkiego znaczenia, gdyby nie istotny wpływ jaki wywiera rzeczywista (a nie przeliczona) długość ogniskowej na końcowy wygląd obrazu na zdjęciu. Dwa najważniejsze aspekty na jakie wpływa ogniskowa obiektywu to deformacje perspektywiczne oraz głębia ostrości. Popatrzmy na rysunek 2. Po lewej stronie przedstawiono zdjęcie wykonane przy krótkiej wartości ogniskowej po prawej zaś przy długiej ogniskowej. Obie filiżanki w rzeczywistości miały identyczne rozmiary. Na Rysunek 2Związek pomiędzy długością zdjęciu po lewej, filiżanka znajdująca się bliżej nas wydaje ogniskowej a zniekształceniem perspektywicznym się być znacznie większa od tej oddalonej. Na zdjęciu po prawej efekt zmniejszenia filiżanki oddalonej jest znacznie mniejszy. Innymi słowy obiektywy o krótkich ogniskowych wyraźniej uwypuklają efekt perspektywy. Obiektywy o długich ogniskowych efekt perspektywy łagodzą. Przekładając tą wiedzę na porównanie fotografii cyfrowej i analogowej, możemy powiedzieć, że zdjęcie wykonane aparatem tradycyjnym o pewnej ogniskowej będzie miało mniejsze zniekształcenia perspektywiczne niż zdjęcie wykonane aparatem cyfrowym, przy przeliczonej ogniskowej takiej samej jak w aparacie analogowym. Różnica będzie tym większa im mniejszy jest element CCD w porównaniu do klatki filmu małoobrazkowego. W szczególności różnica zniknie, gdy element CCD będzie równy rozmiarami klatce filmu (co jak dotąd oferuje tylko kilka aparatów). Problem głębi ostrości jest nieco bardziej skomplikowany, między innymi dlatego, że samo pojęcie ostrości nie jest zbyt jednoznaczne. To czy coś uznamy za ostre czy nieostre w dużej mierze zależy od przyjętych kryteriów. W dalszej części będę się opierał na założeniach stosowanych w firmach Leica i Zeiss. Otóż szacuje się, że rozdzielczość ludzkiego oka mieści się w granicach jednej do czterech minut kątowych. Oznacza to, że z odległości dobrego widzenia, a więc około 25cm człowiek jest w stanie rozróżnić mniej więcej 10 punktów na milimetr. Jeżeli trzymana w ręku fotografia zawiera szczegóły o rozmiarach rzędu 0,1mm uznamy ją za ostrą. Jeśli najmniejsze szczegóły zdjęcia będą miały większe rozmiary, zdjęcie uznamy za nieostre (rozmyte). Znając skalę powiększenia negatywu przy tworzeniu odbitek możemy wyliczyć najmniejszy rozmiar punktu na negatywie, który zapewni nam wrażenie ostrości zdjęcia. Dla typowych zdjęć pocztówkowych będzie to około 0,02mm-0.03mm. Każdy punkt na negatywie o takim rozmiarze odbierzemy jako ostry. Popatrzmy na rysunek 3a. Punkt znajdujący się dokładnie w odległości na którą nastawiono ostrość d odwzoruje się dokładnie jako punkt na kliszy ustawionej w odległości s od obiektywu. Jeśli jednak punkt znajduje się nieco bliżej obiektywu, jego obraz powstanie nieco za kliszą. Oznacza to, że na kliszy zostanie naświetlony rozmyty krążek o pewnym promieniu (rysunek 3b). Podobnie, gdy punkt znajduje się dalej od obiektywu, jego obraz powstanie przed kliszą, a na kliszy ponownie powstanie krążek o innym promieniu. W obu przypadkach obrazem pojedynczego punktu na kliszy będzie plamka. Plamkę tą nazywamy krążkiem rozmycia. W tradycyjnej fotografii, jeżeli krążek rozmycia nie przekracza wspomnianego krytycznego rozmiaru rzędu 0.03mm, uznamy go na - 2 -

3 zdjęciu za ostro zarysowany punkt. W przeciwnym wypadku odniesiemy wrażenie rozmycia. W fotografii cyfrowej sensowne wydaje się stosowanie innego kryterium. Przyjmijmy, że jeżeli krążek rozmycia nie przekracza wielkości pojedynczego piksela matrycy CCD to obraz odbieramy jako ostry. Jeśli natomiast obraz punktu rozciąga się na więcej niż jeden piksel, to taki punkt uznamy za nieostry. Rozmiar krążka rozmycia zależy od tego jak daleko znajduje się dany punkt od miejsca, na które nastawiono ostrość aparatu. Punkty znajdujące się bliżej aparatu niż pewna minimalna odległość d min oraz punkty znajdujące się dalej niż pewna maksymalna odległość d max zostaną odwzorowane na negatywie nieostro (ich krążki rozmycia będą większe niż wartość krytyczna). Obszar pomiędzy d min a d max nazywamy głębią ostrości. Rzecz w tym, że obie te wartości zależą ponownie od rzeczywistej, a nie przeliczonej długości ogniskowej. Zależą one również od wielkości przysłony, ale tym zajmiemy się za chwilę. Można pokazać (po szczegóły odsyłam na stronę internetową), że im większa rzeczywista długość ogniskowej tym mniejsza głębia ostrości. Fotografując aparatem małoobrazkowym obiektywem o ogniskowej 200mm otrzymamy znacznie mniejszą głębię ostrości niż robiąc zdjęcie aparatem Minolta A1 z ogniskową 50.8mm, której przeliczona ogniskowa odpowiada właśnie wartości 200mm. Omówiony powyżej mechanizm powstawania nieostrości odwzorowania na zdjęciu wynika z praw optyki geometrycznej. W wielu sytuacjach do głosu dochodzą również prawa optyki falowej. Rozważmy sytuację przedstawioną na rysunku 4a. Załóżmy, że punkt fotografowanego obiektu znajduje się dalej od obiektywu niż d max, czyli daleko poza głębią ostrości. Jego obrazem na negatywie będzie krążek o promieniu r. Spróbujmy teraz zmniejszyć rozmiar przysłony z początkowego otworu o średnicy a do znacznie mniejszego otworu o średnicy a *. Zauważmy, że rozmiar krążka rozmycia r * również uległ zmniejszeniu. Zmniejszenie rozmiaru przysłony skutkuje więc zwiększeniem głębi ostrości. Efekt ten jest niezależny od rodzaju fotografii jaką uprawiamy. Rysunek 3Mechanizm powstawania głębi ostrości Rysunek 4Zależność rozmiarów krążka rozmycia od wielkości przysłony Zmniejszenie otworu przysłony wiąże się jednak ze wzrostem dyfrakcyjnych efektów falowych. Im mniejszy otwór, tym większe rozmycie punktu wynikające z zasad optyki falowej. Z jednej strony zmniejszanie otworu przysłony powoduje wzrost głębi ostrości, z drugiej zaś wzrost efektów dyfrakcyjnych czyli ogólne pogorszenie ostrości zdjęcia. W przypadku aparatów małoobrazkowych optymalna wartość przysłony wynosi około 1:8 lub 1:16. Wartość przysłony 1:8 oznacza, że rzeczywisty rozmiar przysłony, średnica otworu, jest równy f/8. Dla ogniskowej 28mm dla aparatu małoobrazkowego średnica ta wynosi 3,5mm. Dla odpowiadającej tej długości, ogniskowej w Minolcie A1 równej 7,2mm otrzymamy średnicę otworu przysłony 0,9mm. Taka średnica odpowiadałaby rozmiarami przysłonie 1:32 dla tradycyjnego aparatu. Oznacza to, że w fotografii cyfrowej optymalne rezultaty pod względem zarówno głębi ostrości, jak i ogólnej ostrości całego - 3 -

4 zdjęcia otrzymamy dla znacznie mniejszych wartości przysłon rzędu 1:4 czy 1:5,6. Opisany mechanizm wyjaśnia również dlaczego w aparatach cyfrowych nie spotyka się przysłon rzędu 1:16 czy 1:22. Po prostu rozmycie wynikające z efektów falowych byłyby zbyt silne i cały obraz byłby nieostry. Przy tej okazji warto poczynić jeszcze pewną uwagę praktyczną. Bardzo często aparaty fotograficzne ustawiają ostrość na tzw. odległość hiperfokalną. Oznacza to, że głębia ostrości rozciąga się z grubsza od połowy odległości obiektyw-przedmiot do nieskończoności. Jeśli zależy nam wyłącznie na fotografowanym przedmiocie jest to dobry wybór. Często jednak ważne jest dla nas również tło. Teoretycznie przy odległości hiperfokalnej tło powinno być ostre, bo zakres ostrości rozciąga się do nieskończoności. W praktyce, oznacza to jednak, że punkty z nieskończoności będą odwzorowywane w postaci krążków spełniających warunek ostrości, ale niezbyt od tego kryterium odległe. Wystarczy więc przesunąć punkt na który ustawiono ostrość nieco dalej od obiektywu, a kosztem niewielkiego skrócenia głębi ostrości od strony obiektywu otrzymamy wyraźne zmniejszenie rozmiarów krążka rozmycia dla punktów w nieskończoności. W praktyce takie postępowanie poprawia ogólne wrażenie ostrości zdjęcia. Rejestracja obrazu. Drugie źródło różnic pomiędzy zdjęciami analogowymi i cyfrowymi leży w sposobie rejestracji obrazu. Srebrowa błona fotograficzna i krzemowy element CCD bazują na skrajnie odmiennych zjawiskach fizyko-chemicznych, których szczegółowe opisy znaleźć można w literaturze, nie będę więc im tutaj poświęcał czasu. Skoncentruję się raczej na specyfice rejestracji obrazu każdą z metod. Błona światłoczuła i element CCD reagują w różny sposób na światło o różnym natężeniu. Mówi się, że reakcja błony jest bardziej sigmoidalna, reakcja CCD zaś liniowa. Oznacza to, że w przypadku błony fotograficznej dwukrotny wzrost jasności światła nie zawsze przekłada się na dwukrotnie Rysunek 5Matryce CCD (a,d) i efekt Moira (b,c) większe zaciemnienie błony, podczas gdy w przypadku CCD relacja ta jest zachowana. Zagadnienie to będzie dokładniej omówione w jednym z następnych odcinków cyklu, którego tematem będzie ekspozycja w fotografii cyfrowej. Błona fotograficzna i element CCD reagują również inaczej w funkcji czasu naświetlania. Różnica ta nie jest istotna za wyjątkiem dłuższych czasów naświetlania rzędu sekund. Kolejna różnica dotyczy rozkładu elementów światłoczułych w błonie i w CCD. W błonie srebrowej elementem światłoczułym są ziarna substancji chemicznych. Ziarna te rozłożone są w błonie w sposób równomierny. Oznacza to, że nie ma znaczenia jaką pozycję zajmuje błona w stosunku do obiektu fotografowanego. W przypadku matrycy CCD sprawa wygląda inaczej. Patrząc na rysunek 5a widzimy, że odległość od danego elementu do jego najbliższego sąsiada w różnych kierunkach jest różna. Oznacza to, że obraz jaki otrzymamy na zdjęciu w pewnym stopniu zależy od tego jak położona jest matryca względem fotografowanego obiektu. Zjawisko to występuje najwyraźniej w przypadku fotografowania regularnych struktur, wzorów składających się z równoległych linii lub krat i nosi nazwę efektu Moira. Rysunek 5b pokazuje przykład równoległych linii, które układają się równolegle do elementów matrycy, a rysunek 5c prezentuje te same linie obrócone o kąt około 5 stopni. W efekcie otrzymaliśmy wrażenie istnienia dodatkowych skośnych linii (wzory Moira) nieobecnych w oryginalnym obrazie. Firma Fuji wprowadziła inny rodzaj matrycy zwany Super CCD SR (rysunek 5d). Taki układ elementów światłoczułych jest bardziej izotropowy, zmniejsza efekt Moiry oraz lepiej wykorzystuje powierzchnię światłoczułą. Ostatnia rzecz o jakiej warto wspomnieć przy okazji omawiania elementu CCD to filtrowanie kolorów

5 Błona fotograficzna w każdym punkcie rejestruje informację o wszystkich trzech składowych koloru, a więc czerwonym R (red), zielonym G (green) i niebieskim B (blue). W fotografii cyfrowej, jak dotychczas, taką własność ma tylko jedna matryca matryca Foveon montowana w aparatach firmy Sigma. Wszystkie inne elementy CCD wykorzystują zespół różnokolorowych filtrów, które najczęściej ułożone są tak jak na rysunku 6a. Jak widać, zbieramy dwa razy więcej informacji o kolorze zielonym niż o każdym z dwóch pozostałych. Wynika to ze zwiększonej czułości Rysunek 6Filtry kolorów na matrycach CCD ludzkiego oka w zakresie barwy zielonej i okolic. W sumie nie powinno nas to dziwić, biorąc pod uwagę, że większą część swojej ewolucyjnej historii człowiek spędził wśród zieleni sawann i lasów. Wracając do matrycy CCD stwierdzamy, że tak naprawdę pewną informację o kolorze mamy w co drugim pikselu. Wartości składowej koloru w punktach, w których nie została ona zmierzona wyznaczane są metodą interpolacji. I tutaj kolejna uwaga bardzo praktyczna. O ile to możliwe zapisujmy zdjęcia w natywnym formacie naszego aparatu (RAW), a dopiero w komputerze przetwarzajmy je na format BMP, TIFF czy JPG. Procesory umieszczane w aparatach cyfrowych mają niewielkie wydajności w porównaniu z procesorami komputerów klasy PC. Dodatkowo w aparacie mamy niewiele czasu na przetworzenie zdjęcia. Dlatego też, producenci często implementują w aparatach uproszczone algorytmy interpolacji kolorów. Programy na PC dostarczane przez producenta aparatu najczęściej wykonają to zadanie lepiej. W internecie można również znaleźć alternatywne wersje programów do przetwarzania danych z matrycy aparatów cyfrowych, które czasami dają lepsze efekty niż oryginalne oprogramowanie producenta aparatu. Można jeszcze wspomnieć o próbach poprawy odwzorowania kolorów poprzez stosowanie innego zestawu filtrów na matrycach CCD. Najczęściej używane są filtry RGB, czyli czerwony zielony niebieski. Na rysunkach 6b i 6c pokazano inne spotykane filtry. Pierwszy z nich RGBE zastępuje jeden z dwóch zielonych pikseli kolorem szmaragdowym (emerald), drugi zaś stosuje filtry typowe dla kolorów drukarskich czyli CMYG (cyan, magenta, yellow, green) turkusowy - karmazynowy - żółty wzbogacony oczywiście kolorem zielonym. Filtry te mają poprawić interpolację kolorów w porównaniu z filtrem RGB. Pisząc o matrycy CCD należałoby zwrócić uwagę na jeszcze jeden fakt, który przez kilka pierwszych lat rozwoju fotografii cyfrowej uchodził uwadze konstruktorów aparatów cyfrowych. Otóż matryca CCD nie jest płaska. Matryca składa się z wielu elementów światłoczułych, z których każdy posiada swoją własną soczewkę. Jeżeli promienie świetlne nie padają dokładnie prostopadle na całą powierzchnię matrycy, to elementy skrajne będą częściowo przysłaniane przez swoich sąsiadów, wskutek czego zarejestrują mniejsze natężenie światła niż powinny (rysunek 7). Efekt jest niezwykle subtelny, ale potrafi być zauważalny, na przykład przy Rysunek 7Efekt przysłaniania skrajnych elementów matrycy CCD tworzeniu panoramy, gdy pas łączenia ujęć okazuje się czasami delikatnie ciemniejszy od pozostałej części zdjęcia. Współcześnie wielu producentów oferuje specjalne typy obiektywów dostosowane do aparatów cyfrowych, które mają redukować ten efekt do minimum. Przy okazji warto zwrócić uwagę, że przekonanie o tym, że błona filmowa jest płaska jest również dalekie od rzeczywistości. W szczególności dotyczy to zwijanych filmów małoobrazkowych. Tuż po przewinięciu filmu nierówności powierzchni mogą sięgać 0.1mm. Wraz z upływem czasu od przewinięcia film częściowo wyrównuje się. W przypadku błony filmowej nierówności wpływają na pogorszenie - 5 -

6 lokalnego kontrastu. Podsumowanie. Omówione powyżej różnice pomiędzy fotografią cyfrową i analogową wydają się najistotniejsze, a stosunkowo rzadko dyskutowane. Przedstawionych tu rozważań nie należy traktować w kategoriach dyskusji o wyższości jednej techniki nad drugą. Chciałbym jedynie, żeby widząc olbrzymie podobieństwo obydwu technik mieć świadomość dzielących je różnic i umieć je wykorzystać. Ponad stuletnia historia fotografii tradycyjnej doprowadziła ją do stanu bliskiego doskonałości. Niewątpliwie jest ona wzorcem dla fotografii cyfrowej. Ostatnie lata pokazały, że na poziomie amatorskim obie techniki są już nierozróżnialne. Na poziomie profesjonalnym fotografia cyfrowa na wielu polach zbliżyła się już do fotografii tradycyjnej (szumy, odwzorowanie kolorów) na niektórych jeszcze jej ustępuje (rozdzielczość). Myślę, że już niedługo aparaty cyfrowe zaoferują możliwości niedostępne urządzeniom klasycznym. Jest to kwestia czasu (stosunkowo krótkiego, jak sądzę) i ceny (stosunkowo wysokiej, przynajmniej na początku)