Technologia przetwarzania obrazu cyfrowego.

Techniczne podstawy technologii I przetwarzania obrazu HP

Coraz częściej w naszej praktyce fotograficznej wykonujemy zdjęcia przy pomocy aparatów cyfrowych. Jako nośników informacji używamy różnego typu kart pamięci. Często porównujemy je do filmów analogowych. Spróbujmy zastanowić się przez chwilę czy analogia ta jest słuszna. Żeby przybliżyć Państwu zagadnienia związane z zapisem obrazu oprzemy się na informacjach zdobytych podczas warsztatów HP, które odbyły się 13 października ubiegłego roku. Mówiąc o produktach HP będziemy omawiać również zagadnienia typowe dla innych niż Hewlett Packard producentów cyfrowych aparatów fotograficznych.

Technologia przetwarzania obrazu HP

Zastosowana technologia przetwarzania obrazu HP ma na celu poprawienie ogólnej jakości każdego zdjęcia. Technologia ta może dopasować parametry obrazu do trudnych warunków oświetlenia, wyprodukować jaskrawe, a jednocześnie naturalne kolory oraz wiernie odtworzyć szczegóły znajdujące się zarówno w głębokim cieniu, jak w i pełnym świetle.

Technologia ta obejmuje trzy etapy tworzenia obrazu fotograficznego:

1.     Depikselizację (demosaicing),
2.     Preferowaną reprodukcję fotograficzną (preferred photographic reproduction),
3.     Wyrównywanie barw (color balance).

Jest to kompletne rozwiązanie, które pozwala otrzymać zdjęcia wysokiej jakości nawet
w trudnych warunkach oświetleniowych.

Aparaty fotograficzne wykorzystujące technologię przetwarzania obrazu HP zostały zaprojektowane tak, by produkować więcej dobrych zdjęć niż inne cyfrowe aparaty fotograficzne, bez względu na warunki oświetlenia. Ta technologia umożliwia dokonanie korekt, których nie da się przeprowadzić w innych aparatach. Aparaty, które nie dysponują tą technologią, nie mogą na przykład skorygować wpływu słabego oświetlenia i mają tendencję do utraty szczegółów znajdujących się w głębokim cieniu, dając w efekcie zdjęcia o niezadowalającej jakości. Natomiast duża część zdjęć wykonanych z wykorzystaniem technologii przetwarzania obrazu HP poprawnie zachowuje szczegóły znajdujące się na bardzo jasnym tle i w cieniu oraz odtwarza naturalne odcienie i kolory skóry, gdy fotografowane obiekty oświetlone są światłem dziennym, jarzeniowym lub światłem żarówek. Technologię tę wykorzystują cyfrowe aparaty fotograficzne HP PhotoSmart z serii 600 i 900.Wydaje się, że jednym z istotniejszych elementów technologii HP jest depikselizacja, a właściwie sposób jej przeprowadzania w aparatach HP. Oczywiście nie tylko HP stosuje tego typu metody, ale tylko HP udziela oficjalnych informacji na temat swoich rozwiązań. Przyjrzyjmy się zatem nieco bliżej samej depikselizacji i postarajmy się zaobserwować różnice w rejestracji obrazu przez film analogowy i przez aparat cyfrowy.

Depikselizacja.

Zasada działania aparatów cyfrowych jest inna niż aparatów fotograficznych wykorzystujących film światłoczuły. W dużym uproszczeniu w klasycznym aparacie fotograficznym kolory są rejestrowane dzięki użyciu wbudowanych w film filtrów, które dzielą padające światło na trzy podstawowe barwy. Każda barwa rejestrowana jest w innej światłoczułej warstwie filmu. Końcowym wynikiem jest reprodukcja koloru padającego światła jako kombinacji barw czerwonej, zielonej i niebieskiej. Natomiast aparaty cyfrowe zbierają informacje o kolorze w oddzielnych komórkach, zwanych pikselami. Każdy piksel gromadzi informacje tylko (!) o jednej z trzech podstawowych barw systemu RGB: R-czerwony (red), G-zielony (green), B-niebieski (blue). Czyni to wykorzystując odpowiednią siatkę filtrów, które umieszczane są na drodze światła do czujnika obrazu, tuż przed nim. Zwykle czujnikiem tym jest matryca CCD (Charge Coupled Device, dosł. urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym). Czujnik taki, jak większość z Państwa wie, jest fizycznie podzielony na oddzielne obszary światłoczułe zwane pikselami. Sąsiadujące piksele są zasłonięte czerwonymi, zielonymi i niebieskimi filtrami, tworząc mozaikę. Pojedynczy czujnik może być więc jednocześnie wykorzystany do rejestracji informacji o kolorze i intensywności światła. Rejestracja odbywa się jednak ze zmniejszoną rozdzielczością, ponieważ wszystkie trzy barwy nie są rejestrowane w każdym pikselu. Rozwiązanie to pozwala zmniejszyć rozmiary detektora i ograniczyć koszty stosowania trzech oddzielnych zestawów czujników oraz elektroniki.

W jaki sposób zazwyczaj przeprowadza się depikselizjację?

Po zebraniu danych z czujnika z filtrem mozaikowym konieczne jest uzupełnienie dla każdego piksela
informacji o barwach, które nie były w tym pikselu bezpośrednio rejestrowane. Ten proces jest ogólnie nazywany depikselizacją. Jego celem jest wyeliminowanie wzoru mozaikowego z danych oraz utworzenie kompletnej reprezentacji zarejestrowanego kolorowego obrazu w peł­nej rozdzielczości. Zwykle stosuje się tutaj proces numerycznej inteipolacji (przybliżenia), przy której sprawdzane są natężenia danej barwy (na przykład czerwonej) zarejestrowane w sąsiednich pikselach. Pikselowi, który nie rejestrował tej barwy, przypisuje się średnią wartość otrzymanych dla sąsiednich pikseli. Producenci sprzętu stosują kilka różnych odmian tej metody - najlepsze z nich działają całkiem nieźle, ciągle jednak istnieje niebezpieczeństwo wygenerowania na zdjęciu sztucznych cyfrowych efektów.

Na czym polega depikselizacja w metodzie HP?

W laboratoriach HP opracowano algorytm, który stosuje zupełnie inne podejście do zagadnienia depikselizacji. Opiera się on na zasadzie rekonstrukcji brakujących danych, a nie na interpolacji. W tej metodzie postawione pytanie brzmi: "Jaka jest najbardziej prawdopodobna wartość brakujących danych w danym pikselu?“. Brane są pod uwagę dodatkowe informacje o funkcjonowaniu aparatu fotograficznego, co pozwala otrzymać lepszy wynik depikselizacji. Można tę technikę przyrównać do próby odtworzenia naturalnego koloru słojów drewna w naprawianym krześle zamiast prostego pomalowania uszkodzonego elementu na najczęściej stosowany kolor. Użytkownicy otrzymują kontrastowe zdjęcia z niewielką liczbą nienaturalnych efektów.

Jak działa depikselizacja opracowana przez HP?

Nowy algorytm opracowany przez HP opiera się na znanych fizycznych właściwościach obiektywu aparatu, czujnika i fotografowanych obiektów. Te informacje oraz skomplikowane operacje matematyczne pozwalają stworzyć optymalne odtworzenie danych na temat barw. Algorytm wykorzystuje metody statystyczne i tensorowe do określenia barwy dla danego piksela, wykorzystując informacje zebrane z sąsiednich punktów. Obliczane są najbardziej prawdopodobne wartości natężenia barw dla każdego pojedynczego piksela. Technika ta jest pod pewnymi względami podobna do metod używanych przez NASA w satelitach obserwujących Ziemię, jednak algorytm opracowany przez HP podobno jest lepszy. Nowa metoda depikselizacji wymaga przeprowadzania bardzo skomplikowanych obliczeń. Nawet po zoptymalizowaniu algorytmu konieczne jest wykonanie niemal 100 operacji matematycznych dla każdego piksela. Aby przyspieszyć te operacje w aparacie fotograficznym, inżynierowie HP wprowadzili liczne uproszczenia oraz zaprojektowali specjalny układ scalony. Układ ten może maksymalnie wykonać ponad 500 milionów operacji na sekundę.

Wnioski

W dotychczasowych opracowaniach i testach przeprowadzanych przez wiele czasopism, w tym również i przez Foto-Kurier, częstym argumentem przemawiającym za wyższością jednego modelu aparatu nad drugim była rozdzielczość elementu CCD. Obecnie w czasach gdy coraz więcej firm dysponuje sprzętem o zbliżonej lub wręcz takiej samej rozdzielczości aparatów bardziej zaawansowanych, należy zwrócić uwagę również na metodę depikselizacji obrazu, która również - według specjalistów z HP - ma istotny wpływ na końcową jakość obrazu. Szkoda jedynie, że tak mało firm (praktycznie żadna oprócz HP) nie informuje o tych istotnych „elementach składowych” aparatu.