Динамический диапазон и обработка цифровых изображений

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Сигналы и шум в оптической области

Возможно, не только я веду упорную борьбу с шумом, а последние достижения цифровой фотографии и вовсе вынудили меня ненадолго отвлечься от традиционной сферы интересов – ВЧ технологий.
Но я отвлекся не так уж сильно, поскольку цифровую фотографию можно представить как двумерный анализ сигналов. Неудивительно, что многие инженеры-электронщики, с которыми я лично знаком, увлекаются фотографией, а для некоторых она стала даже больше чем хобби. Инженерные знания помогают глубже понять технические аспекты, связанные с повышением качества изображений. В этой публикации я хочу подробно остановиться на последних достижениях цифровой фотографии, связанных с повышением чувствительности цифровых фотоаппаратов.
Погоня за увеличением числа мегапикселей, в которую были вовлечены участники рынка цифровой фотографии, практически прекратилась. Вероятно, это связано с тем, что очень высокое разрешение современных датчиков опережает возможности оптических систем и систем автофокусировки. На мой взгляд, в таком развитии есть и положительный момент, поскольку разработчики начинают уделять больше внимания чувствительности цифровых фотоаппаратов или их работе при низкой освещенности. Чувствительность важна так же, как и разрешение в тех случаях, когда освещенность недостаточна, а увеличение экспозиции не дает желаемого результата из-за дрожания камеры в процессе съемки или движения объекта съемки.
Чувствительность современной цифровой камеры, как и пленочного фотоаппарата, измеряют в единицах ISO. В пленочном фотоаппарате повышенная чувствительность фотоплёнки позволяет снимать при меньших выдержках, однако это приводит к увеличению зернистости изображения. В цифровом фотоаппарате чувствительность, в первую очередь, связана с коэффициентом усилением сигнала, снимаемого с выхода датчика изображения. Интересно, что чем выше настройка ISO в цифровом фотоаппарате, тем больше шум в изображениях, что соответствует крупнозернистой высокочувствительной фотоплёнке.
Такая зависимость шума от усиления хорошо знакома многим инженерам и мне интересно вынести на суд специалистов некоторые соображения по поводу коэффициента шума.
Сегодня лучшие цифровые фотоаппараты имеют великолепную чувствительность, и на первый план выходит параметр, который близок и дорог каждому из нас, – динамический диапазон. Значительное расширение динамического диапазона привело к тому, что камеры стали инвариантны к ISO, то есть шум считывания камеры, который оценивается по величине флуктуации сигнала матрицы относительно среднего значения сигнала, практически не изменяется при увеличении ISO. Это дает большие преимущества фотографам.
Ниже я привожу обобщенное графическое представление этой ситуации

Большое затенение         Средняя яркость   Высокая яркость
Исходная сцена
Изображение, захваченное датчиком
Файл необработанных данных
Файл JPEG

На этой диаграмме яркости цифрового изображения показано, как сцена с широким динамическим диапазоном может быть ограничена и сжата в процессе захвата данных изображения и преобразования их в файл JPEG. Повернув диаграмму на 90 градусов влево, можно увидеть, что яркость аналогична измеренному уровню амплитуды ВЧ сигнала.
Радиоинженеры давно освоили эту область знаний. Разумеется, расширение динамического диапазона в измерительном приборе всегда хорошо, а порой просто необходимо.
Воспользоваться преимуществами ISO-инвариантности просто, но для полного понимания этих преимуществ советуем подробно ознакомиться с режимами работы цифрового фотоаппарата. Вместо установки режима с нормальной экспозицией для сложной сцены, можно выполнить захват требуемых ярких участков, а необработанный выходной сигнал датчика выдать в виде файла в несжатом формате, в отличие от JPEG. При этом некоторые части сцены могут быть недоэкспонированы, но в файле такого формата сохраняются данные, которые соответствуют всему динамическому диапазону датчика, поэтому конечный результат может быть получен на основе яркостей всех пикселей изображения. В цифровом фотоаппарате, обладающем инвариантностью к ISO, участки с большим затенением можно ограничить с помощью диафрагмы без значительного увеличения шума.
Это легче продемонстрировать, чем объяснить: в статьях на сайте dpreview.com вы найдете необходимую информацию с примерами. Инженеры, предоставляющие информацию для этого сайта, консультировались даже у профессора Эрика Фоссума (Eric Fossum), разработчика современных КМОП-датчиков для цифровых фотоаппаратов.

В других статьях обсуждаются вопросы, связанные с источниками шума при формировании цифровых изображений, поскольку при разработке цифровых фотоаппаратов большое внимание уделяется вопросам снижения шума. Мне кажется, что и здесь не обойтись без постоянной Больцмана, определяющей связь между температурой и энергией.