Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ

ÚVOD Digitálne technológie ovplyvňujú celý súčasný život počínajúc od bežného PC až po komunikačné procesy. Statický obraz a jeho spracovanie je základom týchto technológií. Digitálny fotoaparát je zariadenie, ktoré je užívateľsky dobre prístupné no na druhej strane kombinuje v sebe všetky prvky digitálnych technológií počínajúc od snímania cez kompresiu až po uloženie na pamäťové médium. Hodnotenie vlastností digitálnych fotoaparátov, pomocou hodnotenia fotografií, ktoré vytvoria, je veľmi dobrý prostriedok na zisťovanie kvality digitálnych prístrojov ako aj na rozvoj novej metodiky v oblasti merania a to meranie digitálneho obrazu.

CIEĽ RIEŠENIA: Cieľom riešenia diplomovej práce je navrhnúť a overiť metodiku hodnotenia digitálnych fotoaparátov tak, aby navrhnutá metodika bola aplikovateľná pre bežné laboratórne podmienky v strednej škole. Výsledky hodnotenia majú byť dostatočné validné a majú smerovať k tomu, aby výsledky slúžili pre praktické využitie fotoaparátu teda určiť podmienky pri ktorých fotoaparát dosahuje najlepšie výsledky. Metodika bude vychádzať z hodnotenia kvality digitálneho obrazu získaného z fotoaparátu. Získané obrazy sa budú porovnávať s referenčným obrazom softwérovou technikou merania.

8


1. ZÁKLADNÉ VLASTNOSTI, OPTICKÉ A ZOBRAZOVACIE PARAMETRE DIGITÁLNYCH FOTOAPARÁTOV 1.1. ZÁKLADNÉ OPTICKÉ VLASTNOSTI DIGITÁLNYCH FOTOAPARÁTOV Objektív tvorí dôležitú súčasť každého zariadenia na spracovanie obrazu. Je tvorený niekoľkými šošovkami, ktoré sú usporiadané do optickej sústavy. Hlavnou úlohou objektívu je vymedziť snímanú scénu a v požadovanej kvalite ( ostrosť a vernosť scény) ju transportovať do určeného priestoru vo fotoaparáte. V mieste najkvalitnejšieho obrazu je umiestnený elektronický snímač obrazu. Obrázok 1 ukazuje principiálne usporiadanie objektívu.

Základné parametre objektívu

označenie

Ohnisková vzdialenosť

f [mm]

Uhol záberu

w[º]

Clona

k

Hĺbka ostrosti

av , ah [mm

Tabuľka 1: Základné parametre objektívov

9

definícia vzdialenosť ohniska F od stredu šošovky vyjadruje, akú veľkú časť snímanej scény dokáže objektív zachytiť veľkosť clony vyjadruje pokles dopadajúceho svetla na objektív vyjadruje maximálnu a minimálnu vzdialenosť, na ktorú je fotoaparát schopný optimálne zaostriť snímaný obraz


Obraz snímanej scény Miesto pre umiestnenie snímača obrazu

Snímaná scéna

Uhol záberu

Ohnisková vzdialenosť f

Veľkosť obrazu y’

Veľkosť objektu y

Šošovka

Vzdialenosť obrazu a’

Vzdialenosť objektu a

Obr. 1 Základné usporiadanie objektívu

Ø

UHOL ZÁBERU

w = 2.arctag Ø

y´ 2. f

O H N I S K O V Á V ZD I A L E N O S Ť y´

f =

2. tan

w 2

Tento jednoduchý vzťah je platný ak vzdialenosť objektu je podstatne väčšia ako ohnisková vzdialenosť. [3]

10

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ Podľa ohniskovej vzdialenosti sa mení uhol záberu. Fotoaparáty s pevným objektívom majú obyčajne f = 35 mm. Obrázok 2 jasne ukazuje, čo znamená uhol záberu, teda akú časť snímanej scény môže objektív zachytiť. S ohniskovou vzdialenosťou sa nepriamo mení aj uhol záberu. Veľký uhol záberu je dobrý pre Obr.2 Vplyv ohniskovej vzdialenosti na uhol záberu

zábery exteriéru, malý uhol záberu je zase vhodný na portréty.

Ohnisková vzdialenosť sa vždy vzťahuje k uhlopriečke snímacieho média. Pretože kinofilm je vždy rovnaký, v praxi sa zaužívala hodnota prepočítaná na 35 mm kinofilm, pretože rozmer každého snímacieho čipu môže byť iný. Ohnisková vzdialenosť priamo súvisí so šírkou záberu. Štandardné ohniskové vzdialenosti v praxi sú:

Ohnisková vzdialenosť

Uhol záberu

20 mm 28 mm 35 mm 50 mm 80 –100 mm 135 mm 180 –200 mm 300 mm

94º 75º 63º 46º 30 -24º 18º 12 -14º 8º

Tabuľka 2:Prehľad ohniskových vzdialeností

Digitálny fotoaparát Olympus C-750 má skutočnú ohniskovú vzdialenosť 6,3 – 63 mm a ekvivalentnú prepočítanú ohniskovú vzdialenosť pre 35 mm kinofilm 38 –380 mm. Rozsah ohniskovej vzdialenosti je určený funkciou ZOOM – v tomto prípade je to 10 násobný optický zoom.

11

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ Ø

CLONA je mechanické zatienenie objektívu – obr.3. Pomocou clony sa reguluje množstvo svetla dopadajúceho cez objektív na snímací čip. Veľkosť zatienenia objektívu sa vyjadruje číslom clony.

Je

to

pomer

ohniskovej

vzdialenosti k apertúre ústia objektívu. Obr.3 Ukážka otvorenej a zatvorenej clony objektívu

Čo je to apertúra ústia ukazuje obrázok 4.

k=

f D Číslo

clony narastá so

koeficientom

zaokrúhleným

2 . Ak je napríklad f = 35

mm potom hodnota D sa mení nasledovne: 35

Obr. 4 Apertúra ústia objektívu

:

2 = 24,75 = 25

24,75 :

2 = 17,5

17,5 :

2 = 12,37 = 12,5

k

1

1,4

2

2,8

4

5,6

8

11

16

D

35

25

17,5

12,5

8,75

6,25

4,4

3,2

2,2

D = 35

D =17,5 D = 5,25 D =2,2

Každá zmena clony znamená pokles dopadajúceho svetla na objektív -L o polovicu

k

1

1,4

2

2,8

4

5,6

8

11

16

L

1

1/2

1/4

1/8

1/16

1/32

1/64

1/128

1/256

12

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ Kvalitné digitálne fotoaparáty majú nastavenie clony ešte jemnejšie, každý stupeň clony je rozdelený ešte na dva kroky, takže zmena svetelnosti sa nemení s polovičným krokom ale s 1/6 a hodnoty clony sú: 2,8 3,2 3,5 4 4,5 5,0 5,6 6,3 7,0 8

Ø

SVETELNOSŤ OBJEKTÍVU:

Vyjadruje množstvo prechádzajúceho svetla objektívom na snímací čip pri plne otvorenej clone a v rozsahu zoomu. Najmenšia hodnota clony fotoaparátu je aj najvyššia hodnota svetelnosti objektívu (clona je plne otvorená). Pri koncovej hodnote zoomu je spravidla hodnota svetelnosti horšia. Vysoká svetelnosť objektívu zaručí dostatok svetla pre snímací čip a tým zamedzí vzniku šumu, pretože citlivosť snímača môže byť nízka napr. ISO 50. Ak však svetelnosť bude malá, na snímací čip dopadne menej svetla a citlivosť čipu sa musí elektronicky zvýšiť, ( ISO200 ) v dôsledku čoho narastie šum na výstupe snímacieho čipu. Hodnoty od 2 do 2,8 sa považujú za veľmi dobré. Olympus C – 750 má kvalitný objektív so svetelnosťou 2,8 – 3,7 Olympus C – 370 má už podstatne horšiu svetelnosť 5,8 – 17,4

13


HĹBKA OSTROSTI:

u = objekt

u, = obraz

Obr.5 Minimálna av a maximálna ah vzdialenosť objektu od objektívu pri zachovaní ostrého obrazu. Veľké číslo clony k ( malá apertúra D) a krátka ohnisková vzdialenosť f dávajú veľkú hĺbku ostrosti. Lacné fotoaparáty majú pevnú ohniskovú vzdialenosť a teda hĺbku ostrosti danú tiež pevne. Hĺbka ostrosti vyjadruje maximálnu a minimálnu vzdialenosť, na ktorú je fotoaparát schopný optimálne zaostriť snímaný obraz – obr.5. Funkcia ZOOM na fotoaparáte mení ohniskovú vzdialenosť a tým mení aj hĺbku ostrosti. Makrofotografia, pozadie záhrady je už za oblasťou hĺbky ostrosti a preto je neostré.

Obr. 6 Ukážka hĺbky ostrosti

14


1.2. ZÁKLADNÉ ZOBRAZOVACIE PARAMETRE DIGITÁLNYCH FOTOAPARÁTOV Všetky digitálne fotoaparáty ukladajú fotografie na pamäťové médiá v digitálnej forme a to vo formátoch: Ø

JPEG

podľa štandardu Design rule for Camera File system[DCF]– najčastejšie požívaný formát hlavne preto, že vzniknuté súbory sú pomerne malé a zaberú málo miesta v pamäti. Tento formát je však stratový, to znamená, že uložený obrázok oproti nafotenému obrázku vykazuje určité nedostatky – stratu informácie. Táto strata však nie je kritická a prejaví sa len pri špecifických záberoch. Ø

TIFF

je to formát bezstratový a teda zaberie veľa miesta v pamäti. Rozdiel oproti JPEG je zanedbateľný. Tento formát sa doporučuje pri fotení ostrých prechodov, napríklad ak v zábere sú pravidelné geometrické tvary a ich vzájomné prelínanie. Vo väčšine prípadov je tento formát zbytočný a úplne postačuje JPEG. Ø

RAW

toto nie je obrazový formát, ale uloženie obrazových dát, ktoré vznikli pri zostavení fotografie. Počítač podľa týchto údajov vyrobí fotografiu na monitore. Všetky údaje sú zachované a objem dát je takmer polovičný oproti formátu TIFF. Ø

EXPOZIČNÝ REŽIM

–AUTO – automaticky je nastavená rýchlosť uzávierky , clona, citlivosť, vyváženie bielej. - A – manuálne sa nastavuje clona, ostatné parametre sú nastavené automaticky -S-

manuálne sa nastavuje rýchlosť, uzávierky ostatné parametre sú nastavené automaticky

- M - manuálne nastavuje aj clonu aj čas uzávierky Ø

KOREKCIA EXPOZÍCIE

– označená EV – Exposure Value . Expozícia je kombináciou času uzávierky a clony. Pred fotením sa po zameraní scény automaticky zaaretuje expozícia pre danú scénu. Ak vznikne potreba aj pri zaaretovaní expozície meniť túto hodnotu, 15

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ použijeme funkciu EV. Je to funkcia špeciálne pre digitálne fotoaparáty a umožňuje meniť expozíciu v danom intervale –2 až+2EV. V podstate sa mení automatická expozícia, ktorú nastaví fotoaparát. Automatika nedokáže zvládnuť všetky komplikované scény, pri ktorých sa strieda svetlá a tmavá scéna a práve funkcia EV dokáže prispôsobiť scénu požiadavkám fotografa. Zmena o +1EV zmení expozíciu dvojnásobne. Plusové EV zosvetľuje scénu, mínusové EV stmavuje scénu. Ø

ROZLIŠOVACIA SCHOPNOSŤ FOTOAPARÁTU

vyjadruje sa

v megapixeloch – Mpx. Určuje, koľko obrazových bodov je

umiestnených na snímacom čipe fotoaparátu. Dnes pre bežné použitie majú fotoaparáty 3 až 4 Mpx, profesionálne prístroje 6 až 8 Mpx. Vo fotoaparáte je možné nastaviť rozlíšenie, udáva sa pomocou počtu bodov v horizontálnom smere krát počet bodov vo vertikálnom smere napr. 2048 x 1536 to je rozmer pre 3Mpx presne 3 145 728 obrazových bodov. Štandardne je rozlišovacia schopnosť vyjadrená skratkou: SQ2 – malá rozlišovacia schopnosť SQ1 – stredná rozlišovacia schopnosť HQ - vysoká rozlišovacia schopnosť SHQ – super vysoká rozlišovacia schopnosť

Princíp snímacieho čipu:

Kovová elektróda - Metal Izolant - Oxid Polovodič typu P - Substrát Náboj úmerný intenzite svetla

svetlo

Obr.7 Základný princíp senzora

CCD senzor pracuje na princípe MOS technológie ale bez zosilnenia. Na kovovú elektródu je privedené kladné napätie, v dôsledku čoho vznikne pod ňou potenciálová

16

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ jama. Dopadajúce svetlo na substrát, pôsobením energie fotónov, vyráža voľné elektróny, ktoré sú priťahované kladnou elektródou a v potenciálovej jame sa hromadí náboj úmerný intenzite dopadajúceho svetla.

Obr.8 Princíp postupného snímania jednotlivých bodov a vnútorná bloková schéma čipu CCD Tento náboj sa postupne presúva – „prelieva“ substrátom, pôsobením meniaceho sa napätia na jednotlivých elektródach. Celý priebeh prelievania náboja je vidieť na obr.7. V konečnom dôsledku sa náboje pomocou vertikálnych posuvných registrov dostanú z každého stĺpca do horizontálneho posuvného registra, v ktorom sa vytvorí celkový obraz z jednotlivých senzorov – viď obr.8. Obraz je v analógovej podobe – intenzita svetla z každého senzora je úmerná veľkosti napäťového potenciálu, ktorý

Intenzita svetla

vznikol pod týmto senzorom – viď obr.9.

Počet osvietených senzorov Obr. 9 Celkový výstupný signál CCD senzora Rozmiestnenie senzorov na ploche CCD snímača. Pre vznik farebného obrazu sú potrebné tri základné farby RGB, preto obrazový bod – pixel je zložený z týchto farieb. Jasový príspevok zelenej farby je až 59%, preto 17

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ každý pixel obsahuje 2 zelené Obrazový senzor

senzory. informácie

Spôsob zo

snímania

senzora

je

ukázaný na obrázku 8 Obrazový pixel

Obr.10 Rozmiestnenie senzorov Ø

FAREBNÝ PRIESTOR DIGITÁLNEHO FOTOAPARÁTU:

Farebné spektrum, ktoré obsahuje všetky farby svetla, sa graficky zaznamenáva rôznymi spôsobmi. Jeden z nich - farebný priestor RGB môžeme znázorniť nasledovne:

Obr. 11 Farebný priestor RGB - červená Červenou šípkou je označený ako príklad, kde sa nachádza najčervenejšia farba, akú je solídny digitálny fotoaparát schopný zobraziť. Aj keď vo viditeľnom farebnom spektre môže červená byť ešte "červenšia", digitálny fotoaparát už "červenšiu" zobraziť nedokáže.

18


Obr. 12 Farebný priestor - zelená

Obr. 13 Farebný priestor - modrá

Keďže RGB zariadenia, ako monitory či digitálne fotoaparáty vytvárajú ilúziu plnofarebného svetla pomocou kombinácie troch farieb, nedokážu zaznamenať farbu, ktorá sa nachádza za týmito troma bodmi.

19


Obr. 14 Farebný priestor monitoru a tlačiarne Trojuholník označuje farebný priestor monitoru alebo digitálneho fotoaparátu. Farby za týmto priestorom, mimo trojuholníka, sa už nedajú zobraziť. Každé zariadenie má trochu iný farebný priestor, v ktorom dokáže zaznamenávať alebo reprodukovať farby. Napríklad tlačiareň, pre tlač tlačovín, tlačí technológiou CMYK (3 základné farby + čierna). Farebných priestorov je veľmi veľa, spomeňme aspoň dva najznámejšie. Adobe RGB a sRGB. Každý farebný priestor sa dá zmeniť či prispôsobiť ICC profilmi daného zariadenia.

sRGB

farebný

blízky

zobrazeniu

monitora.

Je

obmedzený

priestor

bežného

to

relatívne

priestor,

zodpovedá

je

ktorý

priemernému

monitoru skôr nižšej triedy. Vo Windows

je

to

štandardný

farebný priestor. Je to farebný priestor kompromisný.. Nedajú Obr. 15 Väčší trojuholník je Adobe RGB, menší sRGB.

sa v ňom totiž zobraziť všetky farby, aké dokážu zariadenia

typu skener či lepší digitálny fotoaparát zaznamenať. Preto vznikli farebné priestory 20

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ so širším rozsahom. Umožňujú záznam a spracovanie bohatších farieb. Farby tu môžu byť zaznamenané sýtejšie a podrobnejšie. Najznámejším takým farebným priestorom je Adobe RGB. Tento farebný priestor sa používa v profesionálnej praxi, napríklad v predtlačovej príprave. Kompaktné digitálne fotoaparáty zaznamenávajú obraz prakticky všetky bez výnimky vo farebnom priestore sRGB. Výhodou je to, že takú fotku môžeme priamo otvoriť v ľubovoľnom fotoeditore či zobraziť na ploche Windows a farby budú v poriadku. Poloprofesionálne a profesionálne digitálne fotoaparáty však spravidla umožňujú aj záznam fotiek v Adobe RGB. Bohatšia farebnosť je odmenou za takú fotku. Taký obrázok však nie je možné otvoriť len tak na ploche Windows či v obyčajnom prehliadači fotiek. Na prezeranie takej fotky je potrebné použiť aplikáciu, ktorá zvláda správu farieb.. Ø

CITLIVOSŤ SNÍMAČA

– menovitá citlivosť snímača sa pohybuje okolo ISO 100. Vyššia citlivosť sa dosahuje elektronicky za cenu zvýšenia šumu v obraze. Dobre využiteľná hodnota je v praxi do ISO 200, nad túto hodnotu sa prejavuje vo fotografii šum. Ø

SEKVENČNÉ SNÍMANIE

– dovoľuje nastaviť snímanie jednotlivých snímok, alebo postupné snímanie s rôznym časovým odstupom. Funkcia Auto Bracketing dovoľuje vykonať niekoľko snímok s automaticky sa meniacou hodnotou expozície v určitom rozsahu. SI – single - jeden snímok SEQ – sekvenčné snímanie, je možné zhotoviť až 8 snímok v režime HQ. Ostrenie a expozícia sú aretované na prvej snímke. HI – rýchle sekvenčné snímanie, zhotoví maximálne 2 snímky AF – sekvenčné snímanie s kontinuálnym zaostrovaním. Ostrenie je pre každú snímku zvlášť.

Ø

NOISE REDUCTION

- pri dlhších expozíciách redukuje výskyt šumu 21


MULTI METERING

– automatické meranie expozície až v 8. rôznych častiach záberu Ø

AF MODE

– spôsob zaostrovania scény –

digitálne ESP – meria stred objektu a väčšiu oblasť okolo stredu

–

SPOT – bodové meranie, meria oblasť vnútri značky automatického ostrenia

Ø

WB

– vyváženie bielej, má veľký vplyv na celkovú farebnú kompozíciu fotky. Vyváženie môže byť automatické alebo podľa zdroja svetla: –

dayling –

denné svetlo

–

cloudy –

polotieň

–

tungsteen –

–

fluorescent - žiarivka

žiarovka

Toto sú najdôležitejšie zobrazovacie parametre digitálnych fotoaparátov, ktoré bude potrebné nastavovať v procese merania.

2. ANALÝZA EXISTUJÚCICH TESTOVACÍCH OBRAZCOV A PRÍPADNE NORMALIZOVANÝCH 2.1. NORMALIZOVANÉ TERČE Ø

GretagMacbeth Color Checker

Tento terč je vo fotografii svetovým štandardom.

Terč sa

skladá z 24

farebných polí, pričom každá farba predstavuje odtieň, ktorý sa vyskytuje veľmi často na fotografiách bežného významu. Polia prvých dvoch radov odhora tvoria farby, s

akými

sa

na

fotografiách

bežne

stretávame, farba tmavej a svetlej pleti, farba oblohy, listová zeleň a ďalšie. Ďalších 6 sú základné farby RGB a CMY. Spodných 6 tvorí sivú škálu. Obr.16 Terč GretagMacbeth Color Checker 22

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ Pri interpretácii farieb uvedeného terča však narazíme hneď na niekoľko problémov. Napríklad farba Cyan (belasá, posledný terčík v treťom rade) sa vo farebnom priestore sRGB nedá zobraziť. Tento farebný priestor sa používa pre zobrazenie fotiek z digitálnych fotoaparátov. Ani s korektným zobrazením ostatných farieb to nie je ľahké. Terč sa nachádza na fotke v určitom prostredí. Biela farba na terči nie je spravidla najsvetlejším miestom na fotke. Rovnako čierny terčík nepredstavuje úplnú tmu. Preto je neľahké presne interpretovať, ako majú farby tohto terča vyzerať. Interpretácia pomocou nástroja ColorLab firmy GretagMacbeth, ktorá je podstatne bližšia reálnym farbám, aj keď určite nie je celkom dokonalá. Farby by po nafotení v ideálnom prípade mali vyzerať takto.

Obr.17 Upravený terč

Ø

TERČ DCR1

Obr.18 DCR 1 pre meranie rozlišovacej schopnosti fotoaprátu 23

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ Je to predloha veľkosti formátu A4 na matnom papieri, ktorý má pri nasvietení pod uhlom 45 stupňov kontrast 1:60. Ø

TERČ ISO 12233

Je to terč určený pre

veľmi náročné použitie. Využíva sa v profesionálnych

meraniach pri náročných meracích podmienkach

.

Obr.19 I S O 1 2 2 3 3 Tento terč je svetovo uznávaným štandardom, čo sa prejavuje aj na jeho podstatne vyššej cene a aj na termíne dodávky – objednáva sa len na základe záväznej objednávky priamo u výrobcu. Obidva terče na meranie rozlíšenia však obsahujú podobné, prípadne aj rovnaké sady úloh. Čo tieto terče dovoľujú: §

Vertikálne a horizontálne rozlíšenie

Obr.20 V H rozlíšenie

24


§

Rozlíšenie vo všetkých smeroch

Obr.21 Siemensova hviezda

Na tomto obrazci sa ukáže, ako sa správa rozlíšenie vo všetkých smeroch. Keďže snímač je tvorený pravidelnou štruktúrou, môže mať iné rozlíšenie pre horizontálne, či vertikálne čiarky a iné pre rôzne šikmé smery. §

Deštrukcia JPG kompresorom

Obr.22 Deštrukcia JPG kompresorom

Na kontrastných plochách sa dobre zobrazí, či a ako je obrázok deštruovaný JPG kompresorom, alebo inými vadami. Výborne vidno napríklad zosvetlenie okrajov tesne pri čiernych plochách. [4] §

Modulácia

Z drobných bodov a čiar sa dá zistiť, aká je modulácia fotoaparátu. Ideálne by modulácia mala byť 100% - tak ako je na predlohe. Modulácia znamená, že biela by mala byť biela, čierna by mala byť čierna. V praxi sa však takýto výsledok nikdy nedosiahne – vždy bude čierna sivou a biela menej sivou.

25

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ §

Chyby aliasingu

Obr.23 Chyby aliasingu

Týmto obrázkom je možné zistiť, ako prístroj zvládne vykreslenie kruhových čiar rôznej hrúbky. Chyby aliasingu sa tu výrazne prejavia. [4]

Ø

TERČ 18GC Rozmer terča je vo veľkosti A4 na kartóne. Plocha terča je tvorená sivou farbou , ktorá má 18% odrazivosť. Terč je vhodný pri retuši fotografie.

Obr.24 Terč 18GC

Ø

TERČ TS28

Sivá škála TS28. Na jednej strane je biela farba, na druhej strane čierna. Obr.25 Terč TS28

26


Ø

TERČ IT8, Q60 - KALIBRAČNÉ OBRÁZKY

Obr.26 Terč IT8 Tento obrázok má od výrobcu presne odmerané farby všetkých políčok a dodáva sa s výsledkom týchto meraní. Po naskenovaní (alebo odfotení) uvedeného obrázku je možné v špeciálnom programe na výrobu ICC profilov naskenovaný obrázok porovnať s nameranými hodnotami. Program vypočíta, aké veľké odchýlky od ideálneho zobrazenia na fotke sú a vytvorí malý súbor - ICC profil. ICC profil potom môžeme použiť pre korekciu ostatných fotiek získaných z toho istého skenera a budú mať oveľa vernejšie farby. Ø

TERČ LOTEM 800V

Obr. 27 Terč LOTEM 800V

Terč slúžiaci na kontrolu gradácie šedej, nastavenia stupňa kontrastu a úrovne základnej šedej farby.

27


Ø

TERČ UGRA

Obr. 28 Terč UGRA

Pomocou uvedeného obrázku je možné kontrolovať horizontálne a vertikálne rozlíšenie, pomocou hustoty liniek. Jemná gradačná stupnica a základné farby slúžia pre základné hodnotenia jasovej škály a farebnej vyváženosti. [5]

3. METODIKA MERANIA A VYHODNOTENIA 3.1. PRÍPRAVA NA MERANIE Meraním digitálnych fotoaparátov je možné zistiť také vlastnosti týchto prístrojov, ktoré nie sú udávané v technických parametroch výrobcu. Výsledky merania dávajú praktickú pomôcku, ako čo najlepšie využívať fotoaparát a ako čo najlepšie využiť jeho vlastnosti. Pri meraní sa využívajú softwarové produkty, ktoré uľahčujú hlavne interpretáciu výsledkov merania v exaktnej podobe. Niektoré merania sú však len na úrovni vizuálneho hodnotenia či porovnania s predlohou. Meraním budeme zisťovať: 3.1.1.

Dobu reakcie digitálneho fotoaparátu – interval od spustenia uzávierky po záznam obrazu

3.1.2.

Časové intervaly medzi snímkami pri sekvenčnom snímaní

3.1.3.

Kvalitu snímky od úrovne rozlíšenia CCD čipu a stupňa kompresie

3.1.4.

Farebnú rozlišovaciu schopnosť pri štyroch stupňoch expozície

3.1.5.

Horizontálne a vertikálne, čiarové a bodové rozlíšenie pri štyroch stupňoch expozície. Hodnotenie aliasingu.

3.1.6.

Gradáciu šedej a úroveň kontrastu pri štyroch stupňoch expozície.

28

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ Pre meranie bude použitý merací terč vytvorený podľa vlastného návrhu. Podklady pre tvorbu terča boli získané:

a. z profesionálnych terčov pre meranie a testovanie b. od profesionálnych fotografov c. z podkladov profesionálnych grafikov a tlačiarenských technikov Merací terč bol zostavený tak, aby mal charakter profesionálneho terča a zároveň dovoľoval

merania,

ktoré

je

možné

vykonávať

v bežných

laboratórnych

podmienkach. Vyhodnotenie fotografie sa bude vykonávať pomocou software ImageJ a Digital Camera Speed. Referenčný elektronický terč je vytvorený v programe CorelDraw a slúži na porovnávanie kvality nafotenej scény z terča s týmto referenčným vzorom.

3.2 POPIS MERACIEHO TERČA Navrhnutý merací terč pozostáva z nasledovných častí: 1.

obrázky pre rozlíšenie textu na rôznych farebných podkladoch

2.

originálne profesionálne terče pre rozlišovaciu schopnosť

3.

originálny terč IT8

4.

variant terča IT8 pre vybrané farby

5.

jasová škála základných farieb RGB a CMYK

6.

fotografie pre posúdenie farebného a čierno-bieleho kontrastu

7.

fotografie pre posúdenie reálnych farieb. Sú tu zastúpené farby rôznych predmetov na kontrastnej ploche a farba ľudskej pokožky tónovaná podľa dopadajúceho slnečného svetla

8.

fotografia pre posúdenie kvality ostriacej automatiky fotoaparátu – obsahuje protichodné požiadavky – pohár je málo kontrastný, voči pozadiu má však silné ( až prepálené) svietiace body, pod pohárom je nadpis silne kontrastný voči pozadiu

29


1

1

8

1

1

2

2

2

2 2

5

6

3

Obr. 29 Merací terč 30

4

7

5


3.3 METODIKA MERANIA Pre meranie parametrov určených v bode 3.1 musia byť zaistené nasledovné podmienky: §

Maximálne svetelné podmienky – dobré slnečné svetlo o intenzite minimálne 1000lx.

§

Poloha meracieho terča musí byť kolmá voči objektívu fotoaparátu vo vzdialenosti takej, aby fotoaparát zachytil požadovanú časť terča bez použitia zoomu s maximálne využiteľným výrezom obrazu. Svetlo musí dopadať na snímanú plochu terča.

§

Fotoaparát je umiestnený na statíve

§

Meraný fotoaparát má nastavené parametre podľa tabuľky 3

§

Pri meraní doby reakcie fotoaparátu sa sníma obrazovka monitoru tak, aby fotoaparát vždy zachytil snímaný číselný údaj, pritom parametre fotoaparátu sú nastavené podľa požadovanej meranej veličiny

Tabuľka 3:Nastavenie fotoaparátu OLYMPUS C750 pre meranie podľa bodov 3.1.1 a 3.1.2 rozlíšenie

formát

expozičný

EV ISO

režim

HQ

JPEG

AUTO/SI

noise

multi

reduction

metering

AF

WB

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

AUTO/SEQ HQ

JPEG

AUTO/HI AUTO/AF

Tabuľka 4: Nastavenie fotoaparátu OLYMPUS C750 pre meranie podľa bodu 3.1.3 Rozlíšenie

formát

expozičný

EV ISO

režim

noise

multi

AF

reduction

metering

WB

SHQ

JPEG

AUTO/SI

-

-

-

-

-

-

SHQ

TIFF

AUTO/SI

-

-

-

-

-

-

31


Tabuľka 5: Nastavenie fotoaparátu OLYMPUS C750 pre meranie podľa bodov 3.1.4 , 3.1.5 a 3.1.6 Rozlíšenie/

BKT

formát

expozičný

EV ISO

režim

noise

multi

reduction

metering

AF

WB

0,0

100

áno

áno

0,0

100

áno

áno

0,0

100

áno

áno

A/ F5,6

dayling

A/ F4

spot

JPEG

+ -1,0

spot

1.SHQ/

spot

A/ F3,2

A/ F8

1.HQ/ JPEG

+ -1,0

A/ F4 A/ F5,6

dayling

A/ F3,2

A/ F8

1.SQ1/ JPEG

+ -1,0

A/ F4 A/ F5,6

dayling

A/ F3,2

A/ F8

2.SHQ/ JPEG

nie

A/ F3,2

0,0

100

áno

áno

spot

dayling cloudy tungsteen fluorescent

3.3.1

OBLASTI MERANIA

Pre meranie podľa bodov 3.1.1 a 3.1.2 sa nastaví meranie času podľa nasledovných parametrov:

Obr.30 Meranie času

32

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ Doba reakcie a časové intervaly sa budú merať s presnosťou na 0,05 s a zároveň sa bude vypočítavať priemerný nameraný čas. Pre meranie podľa bodu 3.1.5 sa budú snímať nasledovné časti meracieho terča: horizontálne a vertikálne čiarové rozlíšenie

aliasing

bodové rozlíšenie

Pre meranie bodu 3.1.6 sa budú snímať nasledovné časti meracieho terča: gradácia šedej

úroveň kontrastu Obr.31 Výrezy z terča pre posúdenie rozlišovacej schopnosti

33

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ Bod 3.1.5

Bod 3.1.3

Bod 3.1.3 Bod 3.1.3 Bod 3.1.4

Bod 3.1.4

Obr.32 Výrezy pre meracie úlohy 34


3.4 METODIKA VYHODNOTENIA Hodnotenie kvality nafotených snímkov sa bude vykonávať porovnávaním s referenčným snímkom za pomoci programu ImageJ. Takéto hodnotenie sa použije pre body 3.1.4, 3.1.5 a 3.1.6. Hodnotenie pre bod 3.1.3 bude popisné. Pred samotným hodnotením snímkov je potrebné skalibrovať monitor a to podľa nasledovných krokov: 1.

Nastaviť ICC profil pre monitor a to zadaním v správe farieb profil sRGB. Takto sa stotožní farebný priestor fotoaparátu a monitoru.

Obr.33 Nastavenie ICC profilu

2.

Kvalitu farieb nastaviť na najvyššiu – minimálne na 32bitov

3.

Spustiť testovací obrázok na nastavenie monitoru a pomocou jasu, kontrastu a gama korekcie nastaviť najkvalitnejšie zobrazenie. Geometriu obrazu upravíme príslušnými prvkami.

Obr.34 Korekcia GAMA

35


Testovací obrázok - biely bod

Testovací obrázok –čierny bod

Testovací obrázok – plynulosť plochy

Testovací obrázok – geometria obrazu

Testovací obrázok – posterizácia, farebné rozloženie obrazovky

Obr.35 Sada testovacích obrázkov

36


4.

TESTOVANIE VYBRANÝCH DIGITÁLNYCH FOTOAPARÁTOV Pre testovanie bol zvolený digitálny fotoaparát Olympus C- 750. Zvolená

a ukázaná metodika hodnotenia zobrazovacích parametrov fotoaparátov sa dá aplikovať na akýkoľvek digitálny fotoaparát. Pri testovaní sa postupovalo podľa bodov v časti 3.1.

Testovanie doby reakcie fotoaparátu sa vykonalo pomocou programu Digital Camera Speed podľa nastavenia v bode 3.3.1 a Tab.3. Nasnímané fotografie časov sú v prílohe práce. Tabuľka 6 : Namerané hodnoty doby reakcie fotoaparátu Doba reakcie digitálneho fotoaparátu – interval od spustenia uzávierky po záznam obrazu 1. mer. [s]

SI

0,35

2. mer [s]

3. mer [s]

0,30

0,40

4. mer [s] 0,30

5. mer [s] 0,25

6. mer [s]

7. mer [s]

0,35

0,40

8. mer [s] 0,26

9. mer [s]

Priemerná hodnota [ s ] 0,328

0,35

1. mer [s]

SEQ

2. mer [s]

1,15

3. mer [s]

1,80

4. mer [s]

2,30

0,65

5. mer [s]

3,15

6. mer [s]

3,80

0,85

7. mer [s]

4,55

8. mer [s]

5,15

0,75

9. mer [s]

5,80

10. mer [s]

11. mer [s]

12. mer [s]

7,15

7,80

8,50

6,50

0,65

0,65

0,7

medzičas

0,67 0,5

HI

Priemerná hodnota [s]

Časové intervaly medzi snímkami pri sekvenčnom snímaní

0,25

0,70

0,65 0,30

0,70

0,6 0,30

0,7

0,65

0,75 0,43

medzičas

AF

0,45

0,20

0,40

1,65

2,75

1,45

0,45

3,95

5,00

1,2

6,05

7,20

1,05

8,26

9,40

1,06

10,5

11,6

1,1

12,7 1,1

medzičas

1,136 1,1

1,05

1,15

1,14

1,1

Rýchlosť uzávierky – čas od spustenia spúšte po záznam snímky je 0,328 s. Interval medzi jednotlivými snímkami pri sekvenčnom snímaní je 0,67 s. Interval medzi jednotlivými snímkami pri rýchlom sekvenčnom snímaní je 0,43 s.

37

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ Interval medzi jednotlivými snímkami pri sekvenčnom snímaní pri kontinuálnom zaostrovaní každej snímky je 1,136 s. Obrázok 36 ukazuje nafotené obrázky podľa bodu 3.1.3 - Kvalita snímky od úrovne rozlíšenia CCD čipu a stupňa kompresie. Parametre fotoaparátu sú nastavené podľa Tab.4.

JPEG

TIFF Obr.36 Porovnanie formátov kompresie JPEG a TIFF

Testovanie fotoaparátu podľa bodu 3.1.4 - Farebná rozlišovacia schopnosť pri štyroch stupňoch expozície sa vykonávalo podľa Tab.5. Automatická zmena expozičného času ( BKT +-1 ) spôsobila zmenu kvality záberu, takže pre hodnotenie boli vybraté len najkvalitnejšie zábery. V druhej časti sa farebná rozlišovacia schopnosť posudzovala podľa vyváženia bielej pri štyroch stupňoch nastavenia. V tabuľkách 7,8 sú zábery, ktoré boli použité pre hodnotenie farebnej rozlišovacej schopnosti určené v časti 5. Ostatné zábery sú v prílohe.

38


Tabuľka 7: Farebná rozlišovacia schopnosť RGB a CMYK SHQ

HQ

SQ1

F3,2 1/25

O1

O5

O9

O6

O10

F4 1/13 O2

F5,6 1/6 O3

O7

O11

F8 1/3 O4

O12

O8

39

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ Tabuľka 8: Farebná rozlišovacia schopnosť podľa vyváženia bielej SHQ/IT8

dayling

SHQ/Ksmart

X5

X2

X6

X3

X7

fluorescent

tungsteen

cloudy

X1

X4

X8

40

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ Pre hodnotenie rozlišovacej schopnosti podľa bodu 3.1.5 a tabuľky 5 sa použili opäť len najkvalitnejšie zábery, všetky ostatné sú v prílohe práce. F 3,2 SHQ

F 8 SHQ

F 3,2 HQ

F 3,2 SQ1

Obr.37 Hodnotenie aliasingu Z uvedených obrázkov sa dá určiť aliasing. Pre rozlíšenie SHQ sa aliasing prejavuje za hranicou 1200 bodov a lepšie výsledky sú pri vyšších clonách. Rozdiel medzi SHQ

41

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ a HQ je minimálny, čo môžeme využiť na šetrenie pamäte pri zachovaní kvalitných fotografií. Pre rozlíšenie SQ1 sa aliasing prejavuje už pri hodnotách 800 bodov, čo pre kvalitné fotografie je už hodnota nepoužiteľná.

F 3,2 SHQ

F 8 SHQ

F 3,2 SQ1

Obr. 38 Hodnotenie H,V čiarového rozlíšenia

Horizontálne a vertikálne rozlíšenie je najkvalitnejšie pri rozlíšení SHQ, výrazne sa zhoršuje pri použití vysokej clony. Pri nízkej kvalite rozlíšenia SQ1 sú však H aj V linky dobre poznateľné pre úroveň 2, čo zaručuje pomerne dobré rozlíšenie detailov.

42


F 3,2 SHQ

F 8 SHQ

F 3,2 HQ

F 3,2 SQ1

Obr.39 Hodnotenie bodového rozlíšenia

Citlivosť fotoaparátu na clonu dokazuje aj bodové rozlíšenie. Pri nastavenom vysokom rozlíšení a veľkej clone, bodové rozlíšenie klesne takmer o polovicu.

43

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ Bodové rozlíšenie pre SHQ a HQ je zanedbateľné, zhoršuje sa s nastaveným rozlíšením.

fotografia

originál Obr. 40 Gradácia šedej Fotografia ako aj následné grafy jasovej intenzity ukazujú, že fotoaparát nie je schopný zachytiť jasové zmeny ani v oblasti čiernej ani v oblasti bielej, ktoré majú gradačnú hodnotu menšiu ako 5%. 10% zmeny zachytil kvalitne. Meranie jasových úrovní bolo vykonané pomocou programu ImageJ.

44


Obr.41 Vyhodnotenie gradačnej škály

5. ZHODNOTENIE A POROVNANIE PARAMETROV 5.1

HODNOTENIE KVALITY SNÍMKY OD ÚROVNE ROZLÍŠENIA CCD ČIPU A STUPŇA KOMPRESIE

Hodnotili sa len dva stupne kompresie a to JPEG a TIFF. Nafotené boli všetky vzorové fotografie a pri vizuálnom hodnotení nie sú medzi fotografiami žiadne rozdiely. Detailne môžeme fotografie analyzovať pomocou histogramu, kde sa dá určiť rozloženie jasových úrovní, stredná hodnota(Mean) – je to priemerná hodnota jasu vo všetkých bodoch. Táto hodnota môže byť od 0 do 255. Pokiaľ je menšia ako 128, prevládajú na obrázku tmavé tóny a pokiaľ je väčšia ako 128, prevládajú tóny svetlejšie. Odchýlka (Std Dev) – udáva rozptyl intenzít od strednej hodnoty v obrázku. Čím je táto hodnota väčšia, tým je obrázok bohatší na rôzne stupne jasu. Čím je táto hodnota menšia, tým na obrázku prevládajú plochy rovnakého jasu.

45

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ Pre porovnanie bol zvolený len jeden obrázok:

Obr.42 Hodnotenie stupňa kompresie

Z histogramov je vidieť, že obrázok vo formáte TIFF pokrýva väčšiu jasovú škálu až do úrovne 255, preto má aj väčšiu odchýlku Std.Dev. Obraz je jasovo bohatší ako vo formáte JPEG.

5.2

VYHODNOTENIE SCHOPNOSTI

FAREBNEJ

ROZLIŠOVACEJ

Hodnotí sa schopnosť fotoaparátu čo najvernejšie reprodukovať farby v závislosti od expozície a od vyváženia bielej. V prvom prípade sa táto vlastnosť posudzuje pre základné farby RGB a CMYK, v druhom prípade pre farebnú škálu určenú meracím terčom.

46

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ Základné farby RGB a CMYK:

Originál obrázok a jeho jasové rozloženie

Obrázok O1

Obrázok O6

Obrázok O12

Obr. 43 Hodnotenie farebnej rozlišovacej schopnosti Na základe histogramov môžeme konštatovať, že fotoaparát má zlú citlivosť na purpurovú farbu, kde pri rôznych expozíciách vykazuje výrazný pokles jasu pri tejto farbe. Taktiež citlivosť na červenú farbu je mierne zoslabená.

47

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ Vyváženie bielej:

d a ylin g

t u ng s t e e n

flu o r e s c e nt

c lo u d y

Obr.44 Hodnotenie farebnej rozlišovacej schopnosti od vyváženia bielej Dobré farebné prispôsobenie vychádza pre denné a výbojkové vyváženie bielej ( dayling a fluorescent ), veľmi nevhodné podanie farieb je pre žiarovkové vyváženie bielej ( tungsteen ).

48


TECHNICKO-EKONOMICKÉ ZHODNOTENIE PRÁCE Diplomová práca splnila všetky body zadania. Bol zhotovený merací terč podľa pripomienok odborníkov z praxe a vypracovaná metodika merania kvality digitálneho fotoaparátu. Merací terč bol overený sériou fotografií a pomocou software boli tieto fotografie hodnotené. Z výsledkov meraní sa dá konštatovať, že meraný fotoaparát dosahuje veľmi slušné parametre pre rozlišovaciu schopnosť. Pri optimálnych svetelných podmienkach dosiahne H aj V linkové rozlíšenie na hodnote 1, bodové rozlíšenie na hodnote 1x1, aliasing je potlačený pod hodnotu 1200 rozlíšiteľných bodov. Pre tvorbu kvalitných fotografií je možné použiť ešte rozlíšenie HQ, oproti SHQ sú rozdiely minimálne. Jasová rozlišovacia schopnosť nie je ideálna a je nad hodnotou 5%. Hodnotenie farebnej rozlišovacej schopnosti ukázalo, že CCD čip je málo citlivý na purpurovú farbu a v oblasti červenej farby má merateľný pokles citlivosti. Vyváženie bielej určuje celkový farebný tón fotografie čo dokazuje obrázok histogramov na strane 40. Uvedené skutočnosti dokazujú, že navrhnutá metodika zistila aj isté chyby fotoaparátu a taktiež parametre, ktoré výrobcovia neuvádzajú. Doba reakcie fotoaparátu, farebná rozlišovacia schopnosť CCD čipu a jasová citlivosť CCD čipu sú parametre, ktoré výrazne kategorizujú digitálny fotoaparát. Uvedená metodika je použiteľná pre rôzne typy digitálnych fotoaparátov.

49


ZÁVER Diplomová práca ukazuje nie len hodnotenie digitálnych fotoaparátov a vlastností CCD čipov, ale aj zaujímavú metódu hodnotenia kvality digitálnych fotografií pomocou programu ImageJ. Tento program dáva viac možností na hodnotenie a prácu s obrazom. Takýto spôsob merania sa ukazuje ako nový trend v meraní, najmä v digitálnych procesoch. SOU v Nižnej túto prácu zadalo najmä preto, aby sa overila metóda merania digitálnych obrazov, ktorú potom bude aplikovať v predmete elektrické meranie. Uvedené meracie postupy nadväzujú na zavedenú meraciu úlohu v SOU a to - meranie priemyselných CCD kamier.

50


ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY [1]

KATUŠČÁK, Dušan: Ako písať vysokoškolské a kvalifikačné práce. Bratislava: Stimul, 1998. 117 s. ISBN 80-85697-69-6

[2]

TUREK, Ivan : Ako písať záverečnú prácu. Bratislava: Metodické centrum v Bratislave, 1999. 28 s. ISBN 80-8052-045-3

[3]

LINDNER, P., MYŠKA, M., TŮMA, T. :Velká kniha digitální fotografie. Brno: Computer Press, 2004.272 s. ISMN 80-251-0013-8

[4]

Pěnkava, Jan : Olympus E – 500 In : FotoVideo, 2005, č.11, s 110 - 112

[5]

Bubeníček, Petr : Bez kompromisů se neobejdete In: DIGI foto, 2005, č.8, s 51-53

51

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ

Recommend Documents