Цифровое изображение, форматы JPEG и RAW: изучаем основы

Не так давно у нас был урок об устройстве современных фотокамер и их типах. Там мы немного коснулись темы формирования фотографического изображения. Сегодня же нам предстоит разобраться более подробно с тем, что же именно происходит после того, как свет проходит через объектив фотокамеры, как устроена матрица фотоаппарата и что из себя представляет готовая цифровая фотография.

Принцип работы матрицы цифрового фотоаппарата. Что такое разрешение?

Матрица фотоаппарата — это микросхема, на которой смонтированы миллионы светочувствительных датчиков. Каждый датчик регистрирует яркость освещения, попадающего на него. Таким образом из них составляется “мозаика” нашего изображения. Обратите внимание: датчик на матрице регистрирует только яркость падающего на него света, но не может получить никакой информации о цвете. Казалось бы, таким образом можно получить только монохромные, черно-белые изображения. Для получения цветного изображения применяется более сложное решение. Чтобы собрать информацию о цвете, необходимо как минимум три светочувствительных элемента, восприимчивых только к одному из базовых цветов спектра. Поэтому каждый элемент оснащается цветным светофильтром, который пропускает лучи только одного цвета, а остальные отсекает.

Сегодня в матрицах цветное изображение строится из трех базовых цветов: красного, зеленого и синего. Поэтому матрица аппарата представляет собой решетку, состоящую из “зеленых”, “красных” и “синих” датчиков. При этом разноцветные датчики на матрице могут располагаться по-разному. Например, самое широкое распространение имеет так называемый фильтр Байера, названный по фамилии его изобретателя.

Можно заметить, что зеленых элементов на нем присутствует вдвое больше, чем красных или синих. Это сделано для того, чтобы компенсировать высокую чувствительность к зеленому цвету человеческого глаза и давать цифровые изображения с привычными человеку цветами.

В итоге, имея данные о яркости и о цвете с каждого датчика, можно составить общее цветное изображение. Для этого в камере установлен процессор. Он анализирует поступающие с матрицы данные и составляет из них готовое изображение. Помимо этого, процессор отвечает за внесение в исходное изображение корректировок, установленных фотографом, как то выбранный им баланс белого, всевозможные эффекты обработки. Процессор отвечает и за создание конечного файла с фотографией.

Мы выяснили, что и матрица фотокамеры, и цифровое изображение, получаемое с нее представляет из себя мозаику, состоящую из мельчайших точек, пикселей. Естественно, чем большее количество точек будет содержать изображение, тем детализированнее, качественнее оно получится. Сколько пикселей содержит изображение, полученное с фотоаппарата? Эта характеристика, называется разрешением. Одна и та же величина — разрешение, может выражаться несколькими способами. В случае с разрешением матрицы фотоаппарата просто измеряют число расположенных на ней пикселей. Поскольку счет пикселей, размещенных на матрице, идет на миллионы, их в этих самых миллионах и измеряют. Один миллион пикселей называется мегапикселем. В случае с разрешением готовой фотографии чаще используют другой метод. Разрешение цифровой фотографии может характеризоваться количеством точек, по горизонтали и вертикали изображения.

Из всей этой информации важно запомнить основное:

Матрица фотоаппарата состоит из светочувствительных элементов, каждый из которых собирает информацию о цвете и интенсивности освещения. Далее из этих данных и строится цифровое изображение, так же состоящее из точек — пикселей. Однако, между одним светочувствительным элементом на матрице и одним пикселем на готовом изображении знак равенства ставить не стоит: тут многое зависит от алгоритмов работы матрицы и процессора. Не всегда разрешение готовых снимков равно количеству датчиков на матрице. Некоторые из датчиков матрицы используются для внутренних, технологических задач. Поэтому в характеристиках многих фотокамер можно встретить две графы - “количество эффективных пикселей” и просто “количество пикселей”. Предполагается, что непосредственно в создании фотографии примут участие именно эффективные пиксели.

Важно иметь в виду, что высокое разрешение матрицы является не единственным слагаемым высокого качества итоговых снимков. На качество конечного результата будет влиять множество факторов - и правильная экспозиция и правильная фокусировка и качество оптики. Так что само по себе наличие матрицы с высоким разрешением в камере позволяет получить снимки высокого качества, но отнюдь не гарантирует это.

Сегодня наиболее распространены матрицы, сделанные по технологиям ПЗС (ССD) и КМОП (CMOS). Не погружаясь в теоретические дебри, стоит отметить лишь то, что КМОП — более перспективная технология, так как позволяет добиться большей светочувствительности, снизить цифровой шум, уменьшить энергопотребление. Практически все современные фотоаппараты сегодня имеют именно КМОП-матрицы.

Цифровой шум

Что такое цифровой шум? Наверняка все замечали, что иногда на фотографиях появляются “помехи”, “зерно”, мелкие точки разного цвета. Это и есть цифровой шум. Количество цифрового шума на фото напрямую зависит от характеристик матрицы фотоаппарата, от условий и параметров съемки.

Цифровой шум больше всего проявляется при съемке на высоких значениях светочувствительности или при недостаточном освещении. Порой мелкие по размеру не слишком качественные матрицы (чаще всего матрицы в смартфонах) просто не могут дать изображение без шума. Также цифровой шум может появиться при обработке изображений.

RAW и JPEG

После того, как съемка произведена, остается не менее важная задача — сохранить полученное фото на карте памяти. Желательно сделать это с максимальным качеством, не теряя никакой информации, полученной при съемке. Сегодня большинство фотокамер позволяют сохранять снимки в двух принципиально разных форматах — RAW и JPEG. RAW - это сырая, никак не обработанная информация с матрицы, записанная в файл. Предполагается, что дальше с файлом RAW фотограф будет работать самостоятельно, конвертируя его на компьютере для получения готового фото. JPEG - это уже фактически готовая фотография.

Разберемся, как получаются файлы RAW и JPEG.

В случае с фотокамерами Nikon, при обработке будущего JPEG-файла процессор может расширить динамический диапазон фотографии при помощи функции D-Lightning — это поможет сохранить на фото детали в темных и в светлых участках при съемке контрастных сцен: пейзажей, портретов в контровом свете. То же самое можно сделать и при обработке RAW, однако это потребует специальных навыков, программ и времени.

Среди известных RAW-конвертеров можно выделить программы Adobe Lightroom, Adobe Camera RAW, Capture One. Все производители выпускают специальные RAW-конвертеры для своих фотокамер. Например, Nikon выпускает целых два конвертера. Nikon Capture NX рассчитан на продвинутую, профессиональную работу, тогда как бесплатный Nikon View NX подойдет начинающим фотолюбителям. Основное достоинство формата RAW — невероятная гибкость обработки. Ведь при обработке доступна абсолютно вся информация, полученная при съемке.

Сравнение RAW и JPEG. Качество снимков

Изучим, какое качество изображения можно получить при использовании JPEG и RAW. Для начала, просто оценим качество снимков, полученных напрямую с камеры.

Видно, что файл JPEG выглядит даже чуть более резким. Спасибо алгоритмам обработки и сохранения, встроенным в камеру. А вот чтобы добиться той же резкости от снимка RAW, придется прибегнуть к обработке.

Посмотрим теперь возможности обработки снимков. Оценим возможность коррекции экспозиции кадров, сделанных в JPEG или RAW.

Классическая ситуация: снимок оказался слишком темным. Попробуем осветлить кадры формата JPEG и RAW.

Не для кого не секрет, что при съемке на высоких значениях светочувствительности, на фотографиях появляется цифровой шум. Во всех современных фотокамерах существует опция внутрикамерного шумоподавления. Процессор обрабатывает полученный снимок таким образом, чтобы снизить количество цифрового шума на снимке. Как правило, системы шумоподавления в камере работают лучше, чем шумоподавление в RAW-конвертерах. Ведь они “заточены” под конкретный фотоаппарат со своими особенностями. Шумоподавление в камере может применяться только к файлам JPEG.

И еще одна классическая ситуация: ошибка с балансом белого. Попробуем ее исправить при работе с JPEG и RAW.

Когда использовать формат RAW?

Прежде всего тогда, когда вы хотите получить фотографии высокого качества, к тому же максимального гибкие в обработке. Еще вам понадобится при этом время и возможность после съемки файлы конвертировать, обрабатывать. Чаще всего RAW используется при профессиональной съемке: портретной, пейзажной, студийной.

Многие фотолюбители-энтузиасты снимают в RAW просто для того, чтобы “выжать” из каждого фото максимум, потренироваться в обработке. А вот если вы занимаетесь репортажем - всё не так однозначно. Возможно, что пока вы будете конвертировать RAW’ы со своим репортажем, отснятые фото уже потеряет свою актуальность. Если вы делаете простое фото на память, RAW тоже не очень полезен: фотографии в этом формате не получится тут же скинуть друзьям по почте или опубликовать их в соцсетях.

При съемке в RAW фотограф может вообще не обращать внимания на настройку баланса белого, ведь поправить баланс белого без всяких потерь в качестве снимка можно при конвертации на компьютере. Так же формат RAW более “терпим” к незначительным огрехам экспозиции - их как правило тоже можно поправить при обработке. Пожалуй, чего точно нельзя поправить при обработке RAW-файла - это ошибки фокусировки и “шевелёнку”. Существуют конечно инструменты компьютерного повышения резкости, однако они не устранят проблему, не добавят на снимок отсутствующие детали, а лишь немного “замаскируют” проблему.

Плюсы формата RAW:

• позволяет сохранить абсолютно все детали, всю информацию на фото, полученную при съемке;
• невероятная гибкость в обработке. Формат RAW позволяет “спасти” многие загубленные при съемке кадры, позволяет использовать специальные приемы компьютерной обработки, немыслимые при съемке в JPEG.

Минусы формата RAW:

• сложность работы с RAW для начинающих: придется разбираться со специальными программами, изучать основы компьютерной обработки;
• для работы с RAW потребуется довольно мощный компьютер;
• работа с RAW на компьютере потребует времени;
• файлы RAW занимают гораздо больше места на карте памяти, нежели JPEG.

Когда использовать формат JPEG?

Разумеется, больше всего данный формат популярен среди фотолюбителей. Не каждый хочет изучать компьютерную обработку, иметь дело с довольно сложными программами — RAW-конвертерами. Файлы JPEG сразу после съемки можно открыть на любом электронном устройстве, послать по почте, выложить в интернет. Сегодня даже компьютер для этого не нужен, достаточно смартфона или планшета.

Однако, профессионалы тоже иногда используют JPEG. Их привлекает скорость работы, ведь время — деньги. Не всегда нужно получать изображения высочайшего качества годные к обработке, а важнее именно скорость и удобство работы. При репортажной съемке порой важно опубликовать (или отправить в редакцию, агентство) фотографии прямо сразу же после события: чем быстрее, тем лучше. Тогда на помощь фотографу-репортеру приходит JPEG.

Кстати, при съемке в JPEG доступны многие функции улучшения изображения, имеющиеся в любой современной камере: шумоподавление, улучшение цвета и контраста, функции расширения динамического диапазона и прочее. Можно добиться того, что без всякой компьютерной обработки наше фото будет выглядеть прекрасно. При этом съемка в JPEG накладывает на фотографа повышенную ответственность при: придется следить за всеми параметрами, не уповая на возможности обработки. Ошибки с балансом белого, огрехи с экспозицией после съемки поправить без серьезных потерь качества снимков не получится.

Плюсы формата JPEG:

• скорость работы с файлами: сразу после съемки мы получаем готовую фотографию;
• богатые возможности внутрикамерной обработки фото при съемке в JPEG;
• фотографию в формате JPEG можно открыть на любом электронном устройстве;
• файлы JPEG имеют гораздо меньший объем, чем RAW, на карту памяти фотографий в формате JPEG поместится гораздо больше.

Минусы формата JPEG:

• меньшая гибкость при компьютерной обработке;
• как следствие предыдущего пункта - за всеми параметрами приходится очень строго следить при съемке.

Формат TIFF

Иногда фотоаппараты позволяют снимать в еще один формат — TIFF. Не вдаваясь в лишние теоретические подробности, можно сказать, что для фотографа TIFF — это такой очень качественный JPEG. Если вы хотите получать снимки без каких-либо потерь в качестве, но и на RAW тратить время не хочется, можно выбрать TIFF. Этот формат часто используется в полиграфии и дизайне: он дает лучшее по сравнению с JPEG качество изображения и большую гибкость при обработке. При сохранении в TIFF используется сжатие изображения без потерь (как в случае с JPEG). Но все же при обработке формат TIFF не столь гибок как RAW. Ведь если RAW - это данные с матрицы, то TIFF - просто качественная картинка.

RAW+JPEG

Пока не определились с выбором формата или хочется получить фотографию, записанную и в RAW и в JPEG? Нет ничего проще. Все современные камеры предлагают опцию съемки сразу в двух форматах. Так же это удобно, если хочется сначала быстро просмотреть отснятый материал на каком-нибудь ноутбуке, смартфоне планшете, (ведь JPEG можно открыть на любом устройстве), отобрать понравившиеся кадры, а обрабатывать уже файлы RAW на рабочем компьютере, который сможет работать с ними. Очевидный минус такого варианта лишь один: на карте памяти получится вдвое больше файлов, так что она заполняется гораздо быстрее.

Выбор опции “RAW+JPEG” в меню фотокамеры Nikon D5300. Как видно, можно выбрать какого качества файл JPEG будет сохраняться файл RAW. Это удобно: можно при желании сэкономить место на карте памяти, выбрав опцию “RAW+JPEG низкого качества”. Для просмотра такие фото вполне сгодятся, а RAW позволит иметь копию снимка в максимальном качестве.