Сколько мегапикселов можно разместить?

Номером назад мы узнали, что физический размер матрицы и количество мегапикселов в ней - это разные вещи, которые должны рассматриваться отдельно. С первым вопросом мы более или менее разобрались, выяснив, что при имеющихся физических размерах матриц существующие объективы любительских камер все равно дают картинку максимум 3–4 мегапиксела. Но предположим, что объектив у нас идеальный, и в рамках этого допущения перейдем ко второму вопросу: так сколько же надо мегапикселов и в каких случаях?
Прежде чем отвечать на него, я хочу сделать пару замечаний о выборе режимов записи снимка. Не исключено, что счастливые обладатели любительских карманных камер, прочитав первую часть статьи, уже готовы взяться за настройку своих аппаратов. В самом деле, если камера все равно выдает максимум 3 мегапиксела, так зачем занимать столько места на флэшке, а потом и на жестком диске, и записывать с максимальным качеством? Тут есть два обстоятельства, которые должны удержать вас от этого шага.

Во-первых, если вы внимательно рассмотрите таблицу возможных режимов, в которых может работать ваш аппарат, то увидите, что производители, как правило, увязывают размер снимка со степенью сжатия JPEG (RAW- или TIFF-форматы мы не рассматриваем, так как для них по понятным причинам разбираемый вопрос вообще не стоит). У многих бюджетных аппаратов (не у всех, конечно) выбирать степень сжатия отдельно можно только для максимального разрешения. А увеличение степени сжатия JPEG - плохой способ экономии. Обычное максимальное качество (Fine, или как оно там у вас называется) предполагает 5–7-кратное сжатие, обеспечивающее приемлемые снимки без видимых артефактов. Такие снимки отличаются от TIFF, полученных преобразованием из RAW, только тем, что их нельзя сильно растягивать (незаметные ранее артефакты вылезут обязательно), но, как мы увидим ниже, при исходном 6–8-мегапиксельном кадре это и не требуется. Но вот увеличивать сжатие сверх этих значений ни в коем случае не рекомендуется. И если вдруг флэшка заканчивается в тот самый момент, когда вы неожиданно попали на нудистский пляж, то экономии ради следует уменьшить разрешение (размеры) снимка, оставив уровень сжатия на самом низком уровне, какой только возможен, - если камера позволяет регулировать эти величины отдельно.

Второе же обстоятельство - для обработки цифровых изображений на компьютере всегда желательно иметь запас разрешения. Из теории информации следует, что любое преобразование снимка ведет к потерям. То есть любая операция в Photoshop, даже простая коррекция баланса цветов и особенно - регулировка яркости-контрастности, неизбежно ухудшает изображение. Не в смысле восприятия, конечно, а в смысле количества информации. Например, если вы снимок растянете, а потом тут же сожмете (не откатом назад, а соответствующими операциями), то исходного изображения не получите - оно заметно потеряет в качестве. И даже если у вас "мыльница" с пластмассовым объективом, все равно возможность иметь запас, которую предоставляет большое разрешение снимка, никогда не помешает.

Но ясно, что рассмотренные обстоятельства все же не являются определяющими. Давайте копнем поглубже и сначала попробуем "более однозначно" ответить на неоднозначный вопрос об эквивалентности пленки и матрицы .

Оценка сверху
Универсальная фотопленка обладает разрешающей способностью примерно 100 лин./мм. Если тупо перемножить число линий на каждую сторону кадра 24х36 мм, то количество элементов составит 8 640 000. Примем его для удобства равным 8 миллионам. Если углубиться в тонкости процесса воспроизведения миры, как мы делали в предыдущей статье, то может показаться, что эту величину следует увеличить вчетверо (вдвое по каждой стороне): мы уже говорили, что для воспроизведения раздельных линий, строго говоря, требуются два ряда точек - черная и белая. Так что по этой методике пленочный кадр соответствует примерно 32–34 мегапикселам. Упоминался и такой метод подсчета ("статистически обоснованный"), согласно которому нужно умножать число линий на каждой стороне на 1,5 - получим около 16–18 М. Учитывая, что 100 лин./мм для пленки в реальных условиях экспонирования и проявки все равно величина лишь теоретическая, не будет большой ошибкой, если мы примем 8 Мп за минимально достаточный эквивалент пленочного кадра 24х36, а за необходимый в идеале - 16 Мп. Это и будет оценка сверху - столько мегапикселов нам требуется, чтобы не отстать от качественных пленочных аппаратов.

Современные профессиональные компактные камеры с матрицами 24х36 мм (типа Canon Mark II) как раз имеют такое количество элементов: 12–16 Мп. Рекорд на момент написания этих строк принадлежит компании Kodak, изготовившей ПЗС-матрицу размером 36х48 мм с 39 млн. элементов. Уважаемая в профессиональных кругах фирма Phase One уже заявила о выпуске "задника" для широкоформатных камер на основе этой матрицы по вероятной цене около $33 тысяч. Реплика в сторону: по непроверенным сведениям, в Москве продается в месяц около шести подобных задников по цене от $20 тысяч (разумеется, с числом мегапикселов поменьше). Вопрос: кто их покупает, если у нас даже модельного бизнеса нет?

Оценка снизу
Теперь оценим необходимое количество пикселов снизу. Для этого размер матрицы по-прежнему будем считать "профессиональным" - 24х36 мм, а за отправную точку примем размер кружка рассеяния в 0,05 мм, определяющий, как мы упоминали в предыдущей статье, понятие "резкого изображения". Таких "кружков" на 1 мм уместится двадцать штук, а количество точек по всей площади матрицы составит всего-навсего 345 600 - 0,35 Мп! Вспомним, что с запасом на каждую линию должно приходиться две точки, и максимально повысим требования - до 1,3 Мп. Итого максимально необходимый и достаточный размер снимка, сделанный объективом с подобным разрешением (очень плохим, конечно), составит около 1440х960. Если учесть, что в ряде цифровых "мыльниц" объективы хоть и лучше, но и размер матрицы меньше, то такой размер будет хорошей нижней оценкой для величины изображения, реально получаемого с бюджетных цифровых камер.

Следует отметить, что такой размер достаточен для демонстрации практически любого изображения на практически любом экране - за исключением разве что чертежей с тонкими линиями или каких-нибудь совсем уж особых случаев, вроде демонстрации панорамы, специально отснятой с высоким разрешением. Причем, не забудьте, еще и экран должен быть соответствующим: обычный аналоговый телевизор обеспечивает разрешение меньше, чем 800х600 точек (640х480 для NTSC, 768х576 для PAL/SECAM). Компьютерный монитор, конечно, может выдать и побольше (кроме бюджетных ЖК-моделей с экраном 17”, все они сейчас имеют возможность установки разрешения 1280х1024), проекторы для домашних кинотеатров дают 1024х768, приличные плазменные панели - 1366х768, и так далее, но принципиально эти цифры не отличаются. Как видите, для демонстрации картинки в отличном качестве можно ориентироваться на цифру в 1–1,3 мегапиксела и тем избавить себя от любой критики, а 2 мегапиксела заведомо перекроют даже самый высокий уровень требований стандарта HDTV. Куда большее значение будут иметь цветопередача, уровень шумов и JPEG-искажения.

Полиграфия
Ладно, с демонстрацией на экране покончили. Но в основном снимки делаются вовсе не для экрана, а для печати. О печати на принтерах поговорим ниже, а пока разберемся с полиграфией. Советую внимательно рассмотреть иллюстрации в хороших "глянцевых" журналах - Vogue, Beauty, Penthouse, Cosmopolitan и пр., коих не меньше тысячи в любом киоске. Более интересное занятие - просмотр работ знаменитых фотографов: Хельмута Ньютона, Анселя Адамса и прочих. В Интернете это может показаться пустой тратой времени, но все же некоторое представление вы получите[См., например, сайт фотографа и дизайнера Алексея Никишина, раздел "Известные фотографы"]. Такие снимки нельзя получить никакой компакт-камерой, и не мечтайте. Минимум требований - широкопленочный аппарат с кадром 6х7 см и/или соответствующий цифровой задник к нему. И оптика. И освещение. И лаборатория, и Macintosh с дисплеем 22”. И еще много чего, начиная с квалификации и опыта.

Но как это выражается в цифрах? Качественная печать уровня Vogue предполагает разрешение не менее трехсот точек на дюйм (dpi), к обоснованию этого числа мы еще вернемся. То есть наш 8-мегапиксельный кадр (2448х3264) может обеспечить изображение размером примерно 8х12 дюймов (20х30 см), что соответствует формату А4 (210х297 мм) или полосе глянцевого журнала. К этой же величине мы приходим, если будем отталкиваться от зрения. Как мы уже указывали, следует ориентироваться на то, что с расстояния 30 см человек с отличным зрением различает примерно 6 линий на мм. Если взять с запасом по два пиксела на линию, то как раз и получим все те же 300 dpi (12 точек/мм х 25,4 мм). На самом деле, в полиграфии подсчет производится несколько сложнее, но если вы сдадите верстальщику любого журнала, не обязательно Vogue, кадр 3264х2448, то он вам скажет большое спасибо, потому что растягивать ему ничего не придется, скорее даже ужимать. Я знаком с профессионалами, которые пользуются камерами с 6-мегапиксельной матрицей и вполне этим довольны, причем все остальное - прежде всего объектив - у них сильно получше, чем в любительских камерах. Ведь мы брали двукратный запас пикселов на сторону кадра, а если использовать "статистически обоснованный" метод подсчета, согласно которому достаточно 6х1,5 = 9 точек/мм, то получим величину 230 dpi, что для размера 8х12” даст необходимый размер 1840х2760, или всего 5 мегапикселов.

Напрашивается все тот же вывод: от качества объектива качество картинки зависит много больше, чем от мегапикселов. Сверх некоего предела, который в данном случае чуть выше установленного для бюджетных моделей лимита в 3–4 Мп, но не настолько, чтобы стоило гнаться непременно за 8-Мп камерой. И вот тут мы уже с полной определенностью можем ответить на поставленный ранее вопрос: так чем же 8-мегапиксельная "мыльница" Nikon Coolpix P1 хуже 6-мегапиксельного Nikon D70? Да тем, что даже "китовый" Nikkor обеспечивает для D70 разрешение, вполне соответствующее его 6 мегапикселам, ведь у него матрица намного больше (в половину пленочного кадра). К тому же под эти параметры подогнаны все остальные характеристики - уровень шумов, алгоритмы обработки. А для использования 8 мегапикселов на полную катушку даже при большей, чем у P1, матрице размером 2/3” (Nikon Coolpix 8800) нужен объектив с разрешением почти 200 лин./мм по самым строгим подсчетам, а если принять "статистически обоснованную" методику - то и все 300. Поверить в то, что существуют подобные объективы для компактных камер любительского класса, тем более с 10-кратным зуммированием, как у упомянутой Nikon, невозможно. Сделать качественный объектив профессионального уровня с зумом больше 3–4 крат еще не удалось никому.

С этим свойством Nikon D70 связана забавная история. Дело в том, что вероятность возникновения муара на цифровых изображениях (что обусловлено их регулярной структурой и имеет место, если на объекте наличествует какой-нибудь растр - тюлевые занавески, длинные волосы, одежда в мелкий рубчик) тем выше, чем выше истинное разрешение камеры. Инженеры фирмы, надеясь на то, что пользователи такой камеры разбираются в предмете, ради повышения четкости снимков вообще убрали муаровый фильтр. В конце концов, не каждый же снимок содержит фактуры, вызывающие эффект муара? В результате форумы в Интернете наполнились злорадными репликами неискушенных приверженцев других "брэндов", и даже наблюдались случаи возврата камер в магазины. А ведь превосходная четкость изображения как раз и является одной из изюминок этой камеры, а муар убирается автоматически при конвертации из RAW. В более продвинутой модели D70S фильтр все же пришлось установить, "во избежание".

Напоследок давайте разберемся с разрешением, необходимым для печати на принтерах, потому что c этим делом в пособиях, статьях и, соответственно, в головах пользователей царит полный бардак, если не сказать хуже - загляните на любой фотофорум. Речь пойдет о струйных принтерах как самых употребительных для фотопечати; другие разновидности (термосублимационные и лазерные) пока не слишком распространены, вдобавок они ближе к традиционной полиграфии. Заодно поймем, откуда берутся пресловутые 300 dpi и к чему их надо приставлять.

Печать и разрешение
В любом пособии по цифровым камерам или по "Фотошопу" вы можете прочитать, что для печати фотографий требуется разрешение "около 300 dpi". Иногда приводятся иные цифры - 250, 240 или даже вычисленные на основе неких специальных соображений 288 dpi. Если вы рассмотрите этот вопрос с точки зрения реального качества цифровых фотографий, как мы делали выше, то поймете, что вас просто надувают, и как ни удивительно - чаще всего бескорыстно. Приняв во внимание все сказанное выше, вы уже можете сообразить, что дело вовсе не в dpi, а в реальном разрешении снимка, с одной стороны, и в ограничениях, которые накладывает зрение, - с другой. Пейзажные снимки без мелких деталей растягиваются на печать в формате А4 даже в случае 2-мегапиксельной матрицы так, что ни один нормальный человек не отличит их от 6-мегапиксельных. А если оптика плохая, то и мелкие детали вы получите совершенно одинаковые, что при шести мегапикселах, что при двух. Опыт Романа Косячкова с изображением в 0,3 Мп, о котором я упоминал в первой части статьи, тому свидетельство.

Но предположим, что исходное изображение сверхкачественное. Следует ли заботиться о том, чтобы делать разрешение снимка, например, кратным физическому разрешению принтера? Отсюда и получаются те самые точные цифры в 288 dpi (так как для принтеров Epson, которые очень любят профессионалы, физическое разрешение равно 2880 dpi или кратно этой цифре). Как я сейчас попытаюсь показать, все это от лукавого и в большинстве случаев о разрешении снимка при струйной печати специально вообще задумываться не надо.

Можно ли перенести полиграфические расчеты (см. врезку) на струйную печать? По моему мнению - нельзя. В струйных принтерах научились регулировать величину точки растра за счет того, что в одно место выстреливается сразу много капель и их число можно регулировать. Точки имеют случайные размеры, очертания и, главное, положения, совсем не так, как в полиграфии. При этом методе - называемом еще амплитудной модуляцией - приемлемая передача полутонов возможна даже при относительно грубом растре, и величина линиатуры вообще не применима. И для качества принтера большее значение имеет не само по себе физическое разрешение (конечно, сверх некоего предела, который уже достигнут во всех современных моделях), а минимальный размер капли красителя, который он может выдать. Притом, как известно, поверх этого основного способа в струйных принтерах придумывают еще всякие ухищрения, вроде того, что капля специально делится на множество мелких, что позволяет более тонко регулировать полутона.

Теоретики рассуждают так: допустим, принтер имеет такой же строгий растр, как и типографское печатное устройство. Тогда для воспроизведения 256 оттенков нужен квадрат 16х16 точек. Если плотность печати 2400 dpi (HP), то линиатура как раз и получается 150 lpi. Но все это чисто умозрительные рассуждения. Во-первых, квадрат 16х16 для каждого цвета получается исходя из оттенков серого. А цветов в современном фотопринтере даже не четыре, как в модели CMYK, а минимум шесть, притом для каждого можно получить точку диаметром 12 мкм и даже меньше, и они вовсе необязательно будут ложиться рядом, а не поверх друг друга. И красители там не кроющие, а прозрачные. И разрешение в 2400 dpi имеется только по горизонтали (шаг каретки), по вертикали (механизм передвижения бумаги) он раза в два меньше. И не забудем еще, что на бумаге 256 оттенков все равно не получишь (см. врезку), так стоит ли стараться?
Производители не декларируют для струйных принтеров никаких линиатур, и правильно делают. Перед нами типичное аналоговое устройство печати (при достаточно высоком физическом разрешении, конечно, но все современные принтеры таковым обладают), и задумываться следует над тем, что нам дает исходная картинка, а не что может воспроизвести принтер. Если у вас сверхчеткое изображение - будьте спокойны, принтер вас не подведет, установите ли вы для него 288, 289 dpi или любую другую цифру, в пределах того, что обеспечивает исходная картинка.

Но чтобы при очень качественных оригиналах ничего не потерять, имеет смысл задумываться над алгоритмами растяжения (и даже сжатия) снимков для печати и специально устанавливать разрешение. А для всех любительских камер, и тем более для всех без исключения оригиналов в формате JPEG, этот вопрос не играет ни малейшей роли, и можно спокойно положиться на программу печати и драйвер принтера, которые все сделают за вас, и сделают очень грамотно. А про все эти разрешения лучше вообще забыть, оставив их счастливым обладателям камер класса Canon Mark II.

300 dpi
Цифра в 300 dpi получается в полиграфии из соображений необходимой линиатуры (измеряется в линиях на дюйм, lpi). При типографской печати мы располагаем только одной краской, прозрачность которой регулировать нельзя. Как в таком случае обеспечить полутона? Единственный очевидный способ: там, где изображение светлее, часть точек (лучше всего в случайном порядке) не закрашивать. Те, кто видел советские газеты полувековой давности , отлично понимает, о чем я говорю: там растр был таким грубым, что описанную технику воспроизведения полутонов можно было разглядеть невооруженным взглядом. С повышением разрешения печатающих устройств качество стало более приемлемым, но принцип сохранился (и в цвете он точно такой же, только там не один, а четыре разноцветных растра, наложенные друг на друга под разными углами, по числу красок в модели CMYK). Этот метод передачи полутонов называется частотной модуляцией.

Физическое разрешение печатающего устройства (dpi) и заданное разрешение полученного изображения (lpi) оказываются связаны между собой простой зависимостью: число градаций серого = единица плюс квадрат отношения разрешения (dpi) к линиатуре (lpi). Для современных фотонаборных автоматов характерно физическое разрешение в 2540 dpi (100 точек на миллиметр). Что при всех воспроизводимых 256 градациях серого при расчете по формуле, приведенной выше, соответствует линиатуре в 160 lpi или размеру полутоновой точки растра в 0,16 мм - вполне приличная величина, близкая к пределу разрешающей способности глаза на расстоянии комфортного чтения. При желании линиатура может быть установлена и значительно большей, потому что на бумаге с ее динамическим диапазоном максимум в 2 D (то есть контрастом между черным и белым максимум в сто раз) 256 градаций серого никому не нужны, они просто неразличимы. На практике газеты печатают с растром 60–100 lpi, журналы - 133–150 lpi; для специальной печати (например, для дензнаков) используют величины и больше, но там важно уже не столько число оттенков, сколько разрешение само по себе.

Ясно, что разрешение исходного снимка (напомню, мы считаем, что оптика нас не лимитирует) должно быть не хуже, чем линиатура. А лучше - с запасом. Если принять двукратный запас, то и получим пресловутые 300 dpi.

Автор: Юрий Ревич
Опубликовано в журнале "Компьютерра" №47-48 от 23 декабря 2005 года
http://computerra.ru