Детали о детализации, или заметки о новых камерах Kodak

В новом, 2004 году, фирма Kodak обрадовала любителей фотографии двумя новыми профессиональными камерами с высочайшим на сегодня разрешением у камер, предназначенных для использования с 35мм оптикой - 13.5 миллионов пикселов. Первой появился обновленный вариант выпущенной ранее камеры Kodak 14n, где улучшения в первую очередь коснулись сенсора и алгоритмов обработки, недавно вышла еще более удивительная камера с таким же сенсором, но имеющая байонет Canon - Kodak 14/c. Самое удивительное в этой истории даже не то, что Kodak снова начал производить камеры для поклонников системы Canon, но то, что впервые для такой камеры не была использована "тушка" производителя оптики и байонета (в камере Kodak 14/c собственно фотокамерой является модернизированная "тушка" камеры Sigma SA9). Трудно сказать, означает ли это, что изначально планировалась разработка камеры с байонетом Sigma, или вскоре следует ожидать цифровой тушки для системы Sigma. Я не вижу смысла приводить здесь фотографии самих камер, подобную информацию легко почерпнуть на официальном сайте Kodak. Символично, что в заголовки страничек, посвященным новым камерам, Kodak вынес слова: "The quality of medium format. The flexibility of 35mm.", что мне показалось немного странным, и привело к желанию посмотреть снимки и немного поговорить о качестве.
Снимки, сделанные обеими камерами Kodak, после их просмотра оставили у меня смешанное чувство: хотя детализация и весьма высокая, но изображение выглядит грубовато (крайне сильный цветной муар на снимках, сделанных вариантом камеры для байонета Nikon, и грубоватое изображение с мельчайшими артефактами, возникшими, вероятно, "благодаря" алгоритмам борьбы с этим цветным муаром - у камеры с байонетом Canon). Во всяком случае, ощущения "качества среднего формата" я не увидел (хотя, на мой взгляд, цвето- и тонопередача современных DSLR, если ее не портить обработкой, уже давно вполне конкурентоспособна по сравнению со слайдом среднего формата).

Для того, чтобы разобраться, насколько высока детализация полученных изображений, были выбраны два снимка, на которых присутствуют мельчайшие детали.

Снимок сделан камерой Kodak 14/c, взят с официального сайта Kodak (1/125c, f/22, 145мм)	Снимок сделан камерой Kodak 14/n, взят с сайта dpreview

13.5Мп снимки, имеющие разрешение 4500х3000 пикселов были уменьшены до разрешения 3000х2000 пикселов (6Мп), после чего снова увеличены до разрешения 4500х3000. Это дает возможность оценить, насколько велика информационная емкость кадров. В случае идентичности деталей 13.5Мп и 6Мп изображения, можно сказать, что информационная емкость кадра не превышает 6Мп.

На самом деле, алгоритмы изменения размеров несовершенны (в том числе и bicubic Фотошопа), при их использовании снижается микроконтраст и могут теряться мельчайшие детали - поэтому потеря микроконтраста компенсировалась слабым усилением контурной резкости сжатых до 6Мп изображений, однако потерю мельчайших деталей компенсировать невозможно, поэтому при получении после уменьшения и последующего увеличения визуально тождественного изображения, можно лишь говорить о том, что информационная емкость кадра ниже (как минимум, на величину неизбежных потерь при двойном масштабировании), чем разрешение, до которого производилось сжатие. Эта методика особенно эффективна при оценке информационной емкости отсканированных пленочных изображений, естественно, потеря структуры шумов или зерна не считается потерями полезных деталей изображения.

Каждая группа фрагментов содержит фрагмент 13.5Мп кадра и два фрагмента кадра, уменьшенного до 6Мп и восстановленного до исходных 13.5Мп разными способами. При просмотре постарайтесь определить и запомнить (или записать) номера фрагментов (1, 2 или 3), являющихся оригиналами, и сравните в конце Ваши ответы с правильными. Возможно, это окажется отнюдь не легкой задачей.

I. Фрагменты снимка камеры Kodak 14/c
II. Фрагменты снимка камеры Kodak 14/c
III. Фрагменты снимка камеры Kodak 14/c
IV. Фрагменты снимка камеры Kodak 14/c
V. Фрагменты снимка камеры Kodak 14/n

Правильный ответ: фрагментами оригинальных кадров камер Kodak 14/c и Kodak 14/n в группах I-V являются фрагменты с номерами 2. Первый из восстановленных фрагментов получен уменьшением исходного изображения до 6Мп (3000х2000) с использованием слабого (радиус 0.3, значение 40%) усиления резкости, компенсирующего потерю микроконтраста при масштабировании с последующим масштабированием снимка к исходному разрешению (4500х3000), масштабирование производилось однопроходное, чтобы уменьшить потери на самом масштабировании. Ко второму из восстановленных фрагментов был добавлен слабый шум (имитация зерна пленки плагином Grain Surgery II), что в некоторых случаях позволило "проявить" невидимые детали (в том числе невидимые и на исходном, 13.5Мп снимки), а также воссоздать высокочастотные шумы исходного кадра, неизбежно теряющиеся при двойном масштабировании.

На самом деле, удивляться тому, что цифровые фотокамеры (как и пленочные сканеры) выдают на выходе изображение, содержащее ощутимо меньшее число деталей, чем количество пикселов в кадре, не приходится. Среди причин и несовершенство оптики (хотя, для данных камер от оптики требуется передать 66 пар линий/мм с минимально распознаваемым контрастом не менее 5-10%, что вполне по силам большинству хороших объективов, особенно в центре кадра), и мозаичная байеровская интерполяция изображений, и коэффициент заполнения ячеек (fill-factor - чем он выше, тем выше чувствительность ячейки, но тем хуже микроконтраст и разрешающая способность матрицы, идеальные отсчеты для оцифровки должны иметь бесконечно малый размер) и ряд других причин. Определение информационных емкостей кадров камер Canon EOS 1Ds, D60 и Fujifilm S2 Pro проводилось в статье "Зеркалка на любителя", где были введены понятия коэффициента качества, эквивалентного размера пиксела и информационной емкости кадра и где были получены следующие результаты для тестировавшихся камер:

Оценивая результаты обеих камер Kodak сравнением 13.5 кадров с 6Мп, можно предположить, что их информационная емкость вряд ли превышает, а скорее даже немного ниже 6 миллионов элементов - разрешения, до которого производилось уменьшение снимков, следовательно, из-за достаточно большого значения коэффициента заполнения ячеек (fill-factor), их эффективный (информационный) размер увеличивается в 1.5 раза (сильнее, чем у протестированных камер), а коэффициент качества вряд ли превышает 1/1.5 = 0.667 (что, конечно, не дает права сравнивать детализацию со средним форматом - в лучшем случае, она сопоставима с отсканированным узким слайдом среднего качества). Примерно такой же коэффициент качества (1.5) имеют и многие компактные камеры. Что касается повышенных показателей камеры S2 Pro (не рекордных, так как наилучшее использование площади ячейки имеют камеры с трехслойным сенсором Foveon), об этом можно подробно прочитать в указанной выше статье. В Сети неоднократно публиковались сравнительные тесты S2 и камер, имеющих более высокое разрешение, в том числе 1Ds и Kodak 14/n, например, несколько месяцев назад мне повстречался следующий тест. Здесь автор снял несколько портретов при различных значениях индекса чувствительности ISO камерами Kodak 14/n и Fujifilm S2 Pro, на замену которой и был приобретен Kodak, и, хотя, автор написал, что разница оказалась горазо меньше, чем он ожидал, ориентируясь на мегапикселы, в его тест вкралась техническая ошибка: все снимки, сделанные S2, оказались сфокусированы не на глазах портретируемого (фрагменты которых были приведены в сравнении), но на его ушах (возможно, экземпляр камеры автора имел проблему с backfocusing). Поэтому тогда же я сделал небольшую страничку в качестве ответа на тест (поэтому подписи пришлось делать не по-русски), где из приведенных автором полноразмерных снимков взял другие кропы, а именно, участки, на которые S2 Pro была сфокусирована должным образом (это нельзя рассматривать как сравнение, так как камера Kodak навелась точно по глазам портретируемого, но тот факт, что мегапикселы, при их достаточности, начинают играть все меньшее значение, на мой взгляд, это авторское сравнение и, возможно, мое дополнение к нему, вполне иллюстрируют). В качестве еще одного примера, иллюстрирующего, что столь излюбленный маркетингом термин "разрешение", не является основной качественной характеристикой цифровой фотокамеры, можно взглянуть на почти 10 Мп снимок (точнее, 9.6Мп), снятый камерой, имеющей 6 миллионов ячеек (во что с первого взгляда поверить сложно).

Не стоит рассматривать данный материал как строгое исследование - в любом случае он таковым не является. Но методика оценки информационной емкости кадра любого происхождения с помощью итераций уменьшения снимка до оценочной величины с последующим увеличением (восстановлением) и визуальным сравнением снимков (удобно производить, наложив на исходный снимок слой с восстановленным) мне кажется весьма удобной и наглядной (можно воспользоваться наложением в режиме Difference в Фотошопе, но результат будет менее наглядным, чем при визуальном сравнении). По крайней мере, это поможет не так часто путаться между понятиями "разрешения" в смысле количества пикселов, что характеризует размер файла и "разрешения" в смысле количества переданных в кадре деталей, детализацией. Как говорят в Одессе (точнее, говорят, что там так говорят) - "это две большие разницы".

Дополнение о динамическом диапазоне, шумах и артефактах.

После того, как Kodak выложил на своем сайте новые снимки, в том числе и снимки в формате RAW, снятые не только в студийных условиях, стало возможных расширить представление о качестве новой матрицы, и получаемых с ее помощью снимков.

Производитель матрицы, фирма FillFactory сообщила, что прототипом матрицы IBIS4-1400-C, используемой в камерах Kodak 14/n и 14/c является полноразмерная (типоразмера 24х36мм) матрица IBIS4-1400-M, оснащенная Байеровской структурой фильтров RGBG. Кроме того, стали известны некоторые важнейшие характеристики матрицы, особенно интересен тот факт, что некоторые матрицы серии IBIS поддерживают режим работы Dual-Slope, разработанный FillFactory, позволяющий расширить фотошироту в светах, что, по сути, делает подобные КМОП-матрицы конкурентами технологии SuperCCD IV SR c ячейками разного размера у ПЗС матриц Fujifilm. Кроме того, для улучшения резкостных характеристик изображения, Kodak отказался от использования АА фильтра (Anti-Aliasing = ФНЧ) перед матрицей, который устанавливается большинством производителей камер во избежание оцифровки частот, превышающих пространственную частоту расположения ячеек (являющуюся в данном случае частотой дискретизации). С одной стороны, идеальных ФНЧ (тем более, оптических) не существует, и использовани ФНЧ ухудшает ЧКХ на высших частотах. С другой стороны, без использования такого ФНЧ невозможно точное восстановление исходного сигнала, так как оцифровка частот, превышающих частоту дискретизации, приводит к появлению неустранимых последующей фильтрацией артефактов. К примеру, Canon в камере 1Ds установил перед матрицей сдвоенный АА фильтр, что делает контуры получаемого изображения более мягкими (плавный спад ЧКХ в области высших частот), что приближает изображение к полученному съемкой на фотопленку.

Основные характеристики матрицы IBIS4-1400-M:

Наиболее интересными параметрами являются: емкость ячейки, шумы считывания и тепловые шумы, которые позволяют получить величину динамического диапазона матрицы. Если не учитывать тепловой шум, ДД = емкость/шум = 1857:1 (или 3.26D или 65дБ или 10.8Ev). Много это или мало? Современные DSLR с матрицей формата APS (даже при немного меньшем размере ячейки) позволяют передать до 11.5Ev (около 70дБ), причем экспериментально, уже с учетом шумов АЦП (например, измеренные по ХК камер Fujifilm S2 Pro и Canon D60), а ПЗС матрицы с таким же размером ячейки имеют отношение сигнал/шум (ДД) более 72дБ (например, матрицы производства Kodak). Кроме того, данная матрица имеет весьма высокий уровень теплового шума, прибавляемого к шуму ячейки. Например, при экспозиции в 1/10с к 35 шумовым электронам прибавится еще 22 электрона теплового шума, и ДД снизится до 61дБ. Длительные выдержки приведут к еще большему ухудшению изображения, например, при 1с экспозиции, шумы ячейки достигнут 255 электронов, а ДД снизится до 48дБ (2.4D). Причем, это еще не шумы полученного изображения, так как к шумам матрицы прибавятся шумы квантования АЦП, шумы также могут значительно возрасти при приведении баланса белого из-за неравномерной спектральной чувствительности матрицы и т.п. Кроме того, для снижения шумов считывания, зависящих от частоты опроса, матрица имеет 4 параллельных канала считывания, что позволило уменьшить тактовую частоту до 15МГц, однако неидентичность каналов считывания может привести к росту шумов фиксированной структуры (которые нормированы величиной 0.15% - тоже не самое низкое значение).

Следовательно, в первую очередь на полученных изображениях следует обратить внимание на уровень шумов (которые должны быть весьма велики, судя по характеристикам матрицы), наличие цветных артефактов (благодаря отсутствию АА фильтра перед матрицей), динамический диапазон снимка, а также - отдельно на динамический диапазон в светах (за счет возможного использования технологии Dual Slope).

Снимок 1.

Этот же Jpeg-снимок после коррекции кривыми:

Действительно, даже несмотря на то, что снимок сохранен в Jpeg формате, на нем удалось практически без потерь (клиппинга) передать все детали в светах. Вполне возможно, что это произошло благодаря работе технология Dual Slope. Странно лишь, что Kodak нигде не упоминает о достигнутых результатах, ведь наличие такого режима у матрицы должно привлечь новых покупателей. Также вполне возможно, что, хотя режим Dual Slope и может быть реализован, но Kodak в камерах его не использовал (для этого матрица в пределах одной экспозиции механическим затвором должна отработать две экспозиции: короткую и длинную с помощью встроенного электронного затвора).

Однако, расширив диапазон фиксируемых яркостей в светах, желательно не забыть и о проработке теней, причем это окажется значительно сложнее, если вспомнить о высоком тепловом шуме ячейки матрицы.

Увы, проработкой теней камера похвастаться не может. Данный фрагмент снимка 1 скорее напоминает "вытянутый любой ценой" снимок компактной камеры, но не снимок профессиональной зеркальной камеры на минимальной чувствительности. Шум имеет только яркостную составляющую, без анализа оригинала в RAW трудно сказать, действительно ли это яркостной шум (например, из-за недостаточной разрядности сигнала) или это результат шумоподавления цветового шума.

Фрагмент снимка 1 (обработка Kodak) показывает, что, избавившись от клиппинга в светах, мы получили совершенно черные теневые участки в тенях - "клиппинг наоборот". Присмотревшись к лицам людей, легко заметить, что они обесцвечены шумоподавлением, следовательно, с большой вероятностью можно сказать, что яркостной характер шума также вызван работой обесцвечивающего шумоподавителя (забегая вперед - заодно подавляющего цветные артефакты, возникающие при цветовой интерполяции Байеровской структуры).

Третий фрагмент демонстрирует одновременно и обесцвечивание лиц, и высокий яркостной шум в тенях, и "черный клиппинг" в глубоких тенях.

Перейдем к снимку 2, для которого имеется исходный RAW файл.

Этот снимок сделан при менее контрастном освещении (практически все небо затянуто облаками). Снимок получен конвертацией RAW с включенным шумоподавлением цветного шума, позволяющим также сгладить заметность цветных артефактов.

Собственноручная конвертация снимка в Adobe Camera RAW 2.0 позволила, на мой взгляд, немного лучше передать оттенки облаков в светах, снимок легко перенес отрицательную экспокоррекцию -0.7Ev без потери деталей в светах, что подтверждает возможность использования режима Dual-Slope матрицы (правда, большинство DSLR также легко позволяют исправлять переэкспозицию до 1.5 ступеней). Чтобы оценить потенциал матрицы, программное шумоподавление (и устранение артефактов) при конвертации было выключено.

На данном снимке цветовые артефакты оказались настолько сильны, что шумоподавление конвертора ACR не справилось с их подавлением. При этом ухудшилось и цветовое разрешение снимка.	При отключенном шумоподавлении артефакты заметны очень сильно, однако шумоподавитель не ухудшает передачу мелких зеленых листочков

При включенном шумоподавлении шумы в тенях обесцвечены и приведены к яркостным. Однако, что сделал шумоподавитель с мелкими цветными деталями (красные и желтые цветы, синий шланг, голубые буквы на плакате...)?
На фрагменте, конвертированном без использования шумоподавителя, различимо множество цветных деталей. Правда, и шумы (наконец-то!) в тенях приобрели ярко выраженную окраску (значительный уровень шума в красном канале). Однако, несмотря на обильный шум, на мой взгляд, этот фрагмент выглядит "живее" предыдущего, который кажется выхолощенным.

Еще один фрагмент снимка, конвертированного с использованием шумоподавителя. Буквы на вывесках потеряли цвет, листва посерела, потеряв насыщенность красок. Зато шумы практически незаметны.

При выключенном шумоподавлении всё богатство красочных вывесок передано верно, листва "ожила". Однако, стали заметны и шумы в тенях, и, особенно сильно, цветные артефакты на фоне неба.

На мой взгляд, новые камеры получились пригодными в первую очередь для студийного использования, где можно управлять светом и не допускать провально-зашумленных теней. Хотя, окончательные выводы делать рано, да и у каждого они будут своими, в зависимости от того, насколько достоинства и недостатки новой камеры могут улучшить или ухудшить съемку излюбленных сюжетов.

Удачных вам снимков!

Михаил (TeddyBear)