Цифровая фотография

2.1. Понятие и назначение цифровой фотографии

Более 150 лет в фотографии доминирует технология, в основе которой лежит фотохимический процесс, основанный на использовании галогенидов серебра. В последнее время появилась новая разновидность фотографии, которая базируется на применении компьютерных технологий. Этот «цифровой» фотографический процесс абсолютно не отличается от традиционного фотопроцесса на стадии съемки, поскольку композиционное построение снимка, выбор освещения, использование различной оптики, светофильтров и других приспособлений остается прежним. Аналогичным образом формируется и оптическое изображение на светочувствительном материале.

Отличными являются те процессы, которые происходят за объективом фотоаппарата при использовании иного (полупроводникового) световоспринимающего устройства с иным принципом записи информации.

В традиционной фотографии запись световой информации производится в результате фотохимических превращений в светочувствительном материале. В основе цифровой фотографии – физические процессы, основанные на явлении внутреннего фотоэлектрического эффекта. Оно лежит в основе световоспринимающих устройств современных теле- и видеокамер и позволяет превращать оптическое изображение сначала в электрический, а затем в цифровой сигнал посредством компьютера.

Таким образом, новая технология получения «цифрового» изображения рассматривается как одно из направлений в фотографии, как один из методов фотографической фиксации информации с применением компьютерных средств.

Цифровая фотография (электронная, компьютерная) – одна из технологий фотографии, основанная на использовании оптоэлектронных светоприемников и цифровой обработки изображений.

Сравнительная характеристика традиционной и цифровой фотографии. Наибольшим достоинством галогенсеребряного фотографического процесса является его универсальность и широкие масштабы использования. Однако традиционный процесс имеет свои недостатки. Во-первых, в его основе лежит многоступенчатая химико-фотографическая обработка светочувствительных материалов, требующая больших временных затрат и расходных материалов. Во-вторых, основными светочувствительными веществами, используемыми в традиционной фотографии, являются галогенные соединения серебра, что при мировом дефиците серебра в настоящее время значительно увеличивает стоимость фотопроцесса.

Цифровая фотография лишена этих недостатков: нет необходимости в расходных светочувствительных материалах и их обработке; любая визуальная информация может быть представлена в виде электрического сигнала и посредством компьютера преобразована в цифровой вид; цифровые изображения можно корректировать, хранить неограниченное время, тиражировать на бумажном носителе.

Преимуществами цифровой фотографии являются:

1. Оперативность – быстрота получения изображения, возможность передачи изображений по телекоммуникациям (связи, телефонной линии и т. п.) на большие расстояния.

2. Наглядность подготовительного этапа съемки, то есть возможность формировать изображения в реальном времени и осуществлять на стадии съемки визуальный контроль получаемого изображения на экране, сокращая время для получения изображения требуемого качества.

3. Простота метода, поскольку для его применения в криминалистической фотографии достаточно пользовательского уровня владения компьютером.

4. Высокое качество получаемого изображения. Цифровая фотография объединяет положительные стороны прямых и косвенных методов, известных в традиционной фотографии. Она позволяет получать контрастные изображения с хорошими оптическими параметрами, непосредственно наблюдать результаты исследований в невидимой зоне спектра.

5. Возможности коррекции (цифровой обработки) изображений с целью выявления и фиксации индивидуальных признаков (изменением тонового и цветового контраста, повышением резкости, удалением помех в изображении, усилением слабовидимого и т. п.). Эти возможности наилучшим образом реализуются именно в области судебной исследовательской фотографии.

Цифровая фотография имеет также ряд недостатков. Цифровые фотографические средства дороже, чем аналогичные по характеристикам традиционные. Первые цифровые фотокамеры и видеокамеры первого поколения дают изображения невысокого качества, с разрешающей способностью на порядок ниже традиционной фотографии. Существовал и ряд проблем, связанных с уязвимостью цифровой фотографии с точки зрения возможной фальсификации изображения, которые являлись сдерживающим фактором ее массового применения в криминалистике и судебной экспертизе. На сегодняшний день данные проблемы решены. В настоящее время не только профессиональные, но и любительские цифровые фотокамеры по разрешающей способности сравнялись с галогенсеребряными фотоматериалами. Соблюдение процессуального порядка приобщения носителей компьютерной информации к материалам уголовного дела, регламентированного в действующем УПК РФ, а также выполнение разработанных в последнее время криминалистических рекомендаций гарантирует достоверность передаваемой в иллюстрациях информации, исключает ее искажение, обеспечивает возможность ее проверки, т.е. допустимость использования цифровой фотографии при раскрытии и расследовании преступлений.

Применение цифровой фотографии в криминалистике. Цифровая фотография, как и традиционная, совмещает в себе две функции: запечатлевающую и исследовательскую. Она активно используется при производстве следственных действий, позволяя уже в ходе их проведения оперативно изготавливать изображения фиксируемых процессов, обстановки, предметов – вещественных доказательств, следов и оформлять их вместе с протоколом. Широки ее возможности и при проведении экспертных исследований.

Следует отметить, что в настоящее время на повестке дня не стоит вопрос о необходимости полной замены традиционного фотографического процесса технологией цифровой фотографии как в деятельности экспертно-криминалистических подразделений, так и в учебном процессе в высших учебных заведениях МВД России. Оба фотографических процесса должны использоваться по мере их возможностей.

2.2. Теоретические основы цифровой фотографии

Основы ввода изображения в компьютер. Оптическое изображение объекта формируется в фокальной плоскости цифрового фотоаппарата (видео-, телекамеры) точно так же, как и в обычном фотоаппарате, т. е. посредством объектива.

В качестве световоспринимающих устройств в цифровых фотокамерах используются два типа фотоприемников (электронных световоспринимающих устройств): приборы с зарядовой связью (ПЗС) и светочувствительные комплементарные металл-оксид-полупроводники (КМОП-сенсоры). Они представляют две технологии изготовления светочувствительных устройств. Их принципиальное отличие состоит в том, что ПЗС является специализированным устройством, используемым для получения изображения, а КМОП-сенсор создан в соответствии с технологией, используемой не только для получения сенсоров, но и для изготовления процессоров, запоминающих устройств, систем фокусировки и многого другого. Отличия состоят также в степени сложности устройства, функциональных возможностях, характеристиках получаемого изображения, в способе регистрации (считывания) информации со светоприемника и т.д.

ПЗС дают наилучшее качество изображения по квантовой эффективности и низкому значению шума.

КМОП-сенсоры по сравнению с ПЗС отличаются пониженным энергопотреблением и высокой технологичностью. Разрешение КМОП-сенсоров, их светочувствительность, динамический диапазон и устойчивость к шумам ниже, чем у ПЗС. КМОП-сенсор объединяет в едином устройстве светочувствительный датчик, аналого-цифровой преобразователь, электронный затвор, схему баланса белого и сжатия изображений.

Назначение светоприемника любого типа – преобразовывать свет (фотоны) в электроны, которые в дальнейшем оцифровываются. Рассмотрим принцип действия светоприемника на примере ПЗС.

Светочувствительный сенсор для получения электронного изображения представляет собой – микросхему (твердотельную пластинку) размером до 1 дюйма (25,4 мм), как правило, не более размера кадра малоформатной камеры. На этой пластинке размещено большое количество мельчайших фотоэлементов. Пластинка представляет собой светочувствительный полупроводниковый кристалл, называемый также матрицей или чипом ПЗС (от английского слова – chip- пластинка), а находящиеся на ней мельчайшие фотоэлементы – пикселами (от английского выражения picture element – элемент изображения). Чем больше этих элементов, тем выше разрешающая способность данных светоприемников.

ПЗС-линейка – «подвижный» светоприемник, т. е. изображение сканируется световоспринимающей поверхностью поэтапно, элемент за элементом по строкам и по всему кадру. Камеры с такими устройствами могут работать только совместно с компьютером, используя для записи изображения жесткий диск. Цифровые камеры и сканеры с ПЗС-линейками обладают параметрами качества (например, разрешающей способностью), намного превосходящими камеры с ПЗС-матрицами. Вместе с тем, объект съемки при экспонировании должен быть абсолютно неподвижным в течение 0,5-3 мин., а освещение постоянным. Для оперативной съемки такие камеры непригодны.

ПЗС-матрицы представляют собой «неподвижные» светоприемники, на всей площади которых объектив формирует оптическое изображение. Они предназначены для оперативной съемки.

ПЗС-матрицы в теле- и видеокамерах обычно имеют размер от 1/4 до 1 дюйма (6,5 - 25,4 мм). Их поверхность обычно разделена на строки (от 504 до 1200), в каждой из которых содержится большое количество светочувствительных элементов (от 756 до 1200). Единичный элемент ПЗС (рис. 197) представляет собой твердотельную структуру типа МОП-конденсатора (МОП – металл – оксид – полупроводник). При его изготовлении на подложку из полупроводникового материала p-типа, например кремния (легированного микропримесями), покрытую слоем диэлектрика (оксида кремния), нанесены ряды тончайших и поэтому прозрачных металлических электродов. Электроды имеют очень малую площадь, например 5х5 мкм (10-6 метра), и образуют вместе со слоями оксида и полупроводника элементарные фотодатчики. Таким образом, попадая на матрицу светочувствительного полупроводникового приемника, оптическое изображение разлагается на отдельные элементы (пикселы). Числу датчиков в каждом ряду соответствует число элементов изображения в строке.

Основы технологии печати изображений. Техника компьютерной печати состоит в нанесении тем или иным образом отдельных точек на бумагу. Выводные устройства (принтеры) формируют изображение из дискретных монотонно окрашенных точек. Практически любое выводное устройство способно работать только в «двоичном» режиме: либо краска в данной точке есть, либо ее нет. Струйные и лазерные принтеры не в состоянии закрасить точку наполовину, чтобы она не была ни черной, ни белой, а имела какой-либо оттенок серого цвета. Исключение составляют только термодиффузионные принтеры, которые требуют применения особой бумаги, и печатные машины глубокой печати; однако их доля в общем парке оборудования невелика (около 3-4 %).

Поскольку непосредственное воспроизведение полутонов струйными и лазерными принтерами невозможно, их, как правило, приходится имитировать. Это достигается с помощью метода, который называется растрированием. Как и в полиграфии, полутона передаются за счет растровой решетки, состоящей из черных точек и белых промежутков между ними, и чем больше размер черной точки, тем темнее получается изображение в данном месте. При этом расстояние между центрами точек остается неизменным, меняется только диаметр точки.

В компьютере операция растрирования выполняется автоматически при отправке изображения на печать.

Основы цифровой обработки изображений. В практике применения фотографии при фиксации и исследовании объектов цифровыми средствами довольно часто возникает необходимость коррекции качества получаемых изображений, повышения их информативности. На изображениях, полученных при низкой освещенности или в результате применения методов фотографирования в невидимой зоне спектра, детали могут быть выявлены достаточно слабо. Изображения, полученные в условиях недостаточного освещения, характеризуются невысоким контрастом. Невысок контраст выявляемых деталей при исследовании объектов – документов с выцветшими, вытравленными, залитыми текстами. Иногда при съемке следов получают изображение со слишком высоким контрастом, на котором потеряны детали в светах и тенях. Такие изображения можно улучшать цифровой обработкой, применяя методы изменения яркости и контраста, произвольно задавая вид градационной кривой, используя способы фильтрации деталей цифровых изображений. Возможности по обработке изображений обеспечиваются программами - графическими редакторами, самым распространенным из которых является Adobe Photoshop.

Яркость и контраст цифровых изображений можно изменять двумя путями: линейно и нелинейно. При линейной коррекции яркость и контраст изменяется на определенную величину[1] по всей площади изображения в пределах от –100 до +100. В программе Adobe Photoshop линейное изменение яркости и контраста осуществляется с помощью функции «Яркость/Контраст». Нелинейная коррекция яркости и контраста осуществляется с помощью функции «Кривые», имеющейся в программе Adobe Photoshop, при этом яркость и контраст цифровых изображений можно изменять, задавая вид градационной кривой.

Дата добавления: 2014-01-05