Почему цифровую фотографию называют цифровой?

Физическая сущность обычной "серебряной" фотографии общеизвестна. На прозрачную плёнку нанесена желатиновая эмульсия, в которой находятся кристаллы галогенида серебра (обычно - бромид). Под действием света в кристаллах происходят химические изменения, поэтому, спроецировав через объектив на поверхность плёнки изображение, мы получим в фотослое его химическую картину. Эту скрытую картину можно превратить в видимое изображение, подвергнув плёнку химической обработке. А какие процессы происходят в цифровой камере? Чем она отличается от обычной? В принципе ничем. Устройство современной цифровой камеры практически полностью повторяет камеру плёночную. Тот же корпус, затвор, объектив...

Отличия же начинаются за объективом. Вместо фотоплёнки изображение образуется на поверхности полупроводниковой матрицы. В матрице под действием света происходят не фотохимические процессы, а фотоэлектрические. И, соответственно, все дальнейшие процессы образования изображения носят не "химический", а "электрический" характер.

Пусть это покажется странным, но полупроводниковая матрица имеет много общего с фотоплёнкой. И там и там изображение строится на светочувствительных "зёрнах". Только в полупроводниковой матрице такими зёрнами являются не кристаллы галогенида серебра, а так называемые приборы с зарядовой связью, или ПЗС (по-английски - CCD, charge coupled device). Элемент ПЗС обладает тем свойством, что электрическое напряжение на его поверхности зависит от степени его освещённости. Чем выше освещённость, тем больше напряжение. Размер каждого такого элемента - всего несколько микрон. Они располагаются на поверхности полупроводниковой пластины в виде регулярного растра. Именно поэтому, в отличие от традиционной фотографии, где зёрна располагаются хаотично, такое явление, как "зерно", нехарактерно для цифровых фотографий.

Так выглядят при увеличении светочувствительные зерна галогенида серебра в фотоэмульсии.	А так выглядит под увеличением матрица цифрового аппарата. ПЗС элементы расположены регулярно.

После экспозиции каждый ПЗС-элемент оказывается электрически заряженным до величины, которая пропорциональна количеству света, попавшему на него. Таким образом на поверхности полупроводниковой матрицы формируется электрическая картина изображения: наиболее тёмным местам соответствует низкое напряжение, а наиболее светлым - высокое.

После этого остаётся как-то сохранить эту информацию. Первое, что приходит на ум, - это записать информацию о величине электрического напряжения в каждой точке матрицы. Однако этот способ не годится, поскольку характеристики разных матриц отличаются, и, стало быть, несовместимых форматов хранения изображений будет великое множество.

Поэтому, прежде чем информация будет сохранена, она преобразуется в некий стандартный формат, такой, который используется в компьютерах. Весь диапазон яркостей от чёрного до белого разбивается на 256 уровней. Нулевой уровень соответствует абсолютно чёрному, а 255-й - белому цвету. Промежуточные уровни -разные оттенки серого. Так, например, 127-й уровень - это 50% серый цвет, а 63-й уровень - 75-процентный (см. ил.). Соответственно, если напряжение на ПЗС-элементе соответствует максимальной освещённости, то в запоминающее устройство камеры состояние этой ячейки заносится как число 255, а информация о том, что ПЗС-элемент не освещён, как число 0. ПЗС-элементы нумеруются построчно: с 1 по n - строка, затем с n+1 - вторая и т.д.

Таким образом, информация об уровне освещённости всех элементов матрицы заносится в память фотокамеры как последовательность чисел: каждое число отображает состояние одной ПЗС-ячейки. Именно поэтому "электронная" фотография называется словом "цифровая".

Строение ПЗС-элемента.	График зависимости цифрового кода от освещённости матрицы.

Описанная схема показывает процесс создания черно-белой цифровой фотографии. В реальной же цветной цифровой камере используются трёхканальные матрицы, в которых каждая точка (пиксел) изображения строится тремя ПЗС-элементами, каждый из которых чувствителен (за счёт применения микросветофильтров) только к одному из трёх основных цветов: красному, зелёному или синему. Поэтому, когда говорят, что в камере используется матрица в три миллиона пикселов, то реально это означает, что матрица состоит не из 3, а 3х3=9 миллионов ПЗС-элементов. И не забывайте, что для сохранения информации об освещённости каждого ПЗС-элемента отведено 256 возможных значений. А хранение такого числа занимает 8 ячеек компьютерной памяти - один байт. Это значит, что изображение, полученное с той же самой "трёхме-гапиксельной" матрицы, займёт в памяти камеры 9 Мегабайт, что составляет более 72 миллионов ячеек памяти. Это огромное число. Если всю эту последовательность цифр распечатать на бумаге, она займёт более 4000 страниц.

Именно поэтому проблема памяти для цифровых камер занимает самое важное место. Если изображение записывать в память камеры "как есть", то даже в модули памяти большой ёмкости удастся записать всего несколько изображений. Для того чтобы уменьшить объём записываемой информации, её подвергают специальной обработке, сжатию или компрессии. Наиболее простой способ компрессии заключается в том, что в записи ищутся однотипные последовательности цифр и записываются в более компактной форме. Например, последовательность, описывающую белую линию "256 256 256 256 256", можно записать более компактно - 5х256.

Преимуществом такого способа является то, что он никак не искажает изображение, а недостатком то, что таким образом удаётся уменьшить объём изображения всего на несколько десятков процентов. Поэтому такой способ компрессии применяется лишь тогда, когда надо получить изображение самого высокого качества. Гораздо чаще для сжатия изображений применяют так называемый JPEG-метод. В его основу положено то свойство человеческого зрения, что цветовое разрешение человеческого глаза заметно хуже черно-белого. По-этому, если цветовую информацию сохранить не полностью, то глаз человека этого практически не заметит. При JPEG-КОМпрессии сохраняется только часть цветовой информации, полученной с матрицы. Поэтому изображение имеет искажения, которые тем заметнее, чем сильнее изображение сжато. Но зато этот метод позволяет уменьшить объём памяти, занимаемой изображением, в десятки раз.

Каким способом были сжаты изображения в камере, определить довольно легко. Файлы изображений, которые сжаты методом JPEG, имеют расширение.jpg, а сжатые без искажений - другое, чаще всего.tif.

Ну а дальнейшая судьба цифрового изображения намного проще, нежели традиционного, фотохимического. Для его проявления не нужно проводить никаких сложных и капризных фотопроцессов. Любой компьютер без проблем поймёт, расшифрует последовательность цифр и покажет ваше фото на экране дисплея или распечатает на цветном принтере, запишет на компакт-диск. Да и любой современный телевизор также без труда покажет ваши снимки на своём экране...

"ФотоМагазин"