Бюро экспертиз Решение

Термины судебной фототехнической экспертизы

В ходе проведения первоначальных стажировок и рецензирования заключений экспертов по фототехнической экспертизе была выявлена необходимость в уточнении терминов, используемых для описания изображений. Правильное их понимание непосредственно влияет на оценку качества изображений, представленных на исследование.

Некоторые основные определения являются универсальными и относятся к аналоговому и цифровому разделам фотографии, другие – только к цифровому (артефакты сжатия, пиксель, цифровой шум, форматы файлов).

  1. Аберрация – оптическое несовершенство фотообъективов, приводящее к ухудшению качества изображения.

1.1. Хроматические аберрации, или «цветная кайма» – результат рассеивания света при попадании в объектив.

Увеличенный фрагмент правого верхнего угла фотоснимка. Присутствуют хроматические аберрации в виде цветной (фиолетовой) каймы на вертикальных элементах изображения

1.2. Дисторсия или геометрические искажения – это аберрация, в результате которой прямые линии на изображении искривляются. На резкость дисторсия влияет незначительно, но в большей мере определяет, как передаются на изображении прямые линии. Наиболее распространены два типа дисторсии: бочкообразная и подушкообразная.

Бочкообразная дисторсия

Бочкообразная дисторсия

Подушкообразная дисторсия

Дисторсия в основном характерна для объективов с переменным фокусным расстоянием (зумов), и зависит от кратности объектива (чем больше кратность, тем сильнее дисторсия). Наиболее заметна дисторсия в крайних положениях диапазона объектива. Для объективов с постоянным фокусным расстоянием также характерна дисторсия: для широкоугольных – бочкообразная дисторсия, для телеобъективов – подушкообразная. Искажения могут также меняться в зависимости от фокального расстояния: при фокусировке на близком объекте объектив может искривлять прямые линии, но быть свободным от дисторсии при фокусировке в положении, близком к бесконечности.

  1. Виньетирование– явление частичного ограничения (затемнения) наклонных пучков света оправой или диафрагмами оптической системы, в результате которого снижается яркость изображения к краям поля зрения системы. В фотографических, киносъёмочных, телевизионных и проекционных объективах это проявляется в виде повышенной яркости центральной части кадра по отношению к его углам.

Виньетирование в наибольшей степени проявляется при использовании широкоугольных объективов, телеобъективов, а также оптики с большой светосилой. При уменьшении относительного отверстия (диафрагмы) в оптической системе эффект виньетирования снижается или пропадает.

Для широкоугольных объективов виньетирование может появляться при использовании светофильтров с широкой оправой.

Виньетирование

Виньетирование

  1. Перспективные искажения – ошибки системы изображения предметного мира на плоскости в соответствии со зрительным восприятием предметов человеком.
Перспективные искажения. «Завал» фасада здания.

Перспективные искажения. «Завал» фасада здания.

  1. Артефакты сжатия – это заметные искажения изображения, вызываемые сжатием с потерями.

4.1. Артефакты JPEG — искажения, которые вносит в картинку формат сжатия изображений JPEG. Поскольку этот алгоритм «разбивает» изображения на блоки размером 8×8 пикселей, каждый из которых сжимается отдельно, в результате чего возникает своего рода сетка, кратная 8 пикселям.

Результат сжатия изображения - блоки 8×8 пикселей.

Результат сжатия изображения – блоки 8×8 пикселей.

Степень искажения зависит от выставленного уровня сжатия (от 1 до 100 %).

Высокая степень сжатия-100 %
Средняя степень сжатия-50 %
Средняя степень сжатия - 10 %

Высокая степень сжатия – 100 %

Средняя степень сжатия – 50 %

Средняя степень сжатия – 10 %

При последовательном сохранении одного и того же изображения в формате JPEG артефакты сжатия нарастают. Существуют инструменты в графических редакторах для вращения или кадрирования изображений JPEG без переупаковки и дополнительных потерь (например, «JPG loseless rotation» и «JPG loseless crop» в программе «IrfanView»).

5. Глубина резкости – расстояние вдоль оптической оси объектива в пространстве изображений, в пределах которого оптическое изображение, образуемое объективом, обладает удовлетворительной резкостью. Например, при съемке пейзажей картинка должна быть максимально резкой, а в портретных снимках – минимально: желательно, чтобы четко получилась только модель в кадре, а фон был максимально размыт.

Изображение с малой глубиной резкости. Наблюдается размытие заднего плана изображения

Изображение с большой глубиной резкости. Передний и задний план изображения резкий

  1. Контраст – диапазон яркостей изображения, соотношение яркостей самой светлой и самой тёмной его частей, разница в характеристиках различных участков изображения, способность фотографического материала или оптической системы воспроизводить эту разницу, а также характеристика чувствительности глаза (зрительной системы) относительно яркости и цвета.

6.1. Цветовой контраст  разновидность оптического контраста, связанная с разницей цветовых оттенков.

6.2. Контраст освещения – величина, описывающая различия в яркости по-разному освещённых объекта и фона или участков объекта в конкретной сцене. Количественно выражается как отношение разницы яркостей к их сумме.

Высокий контраст изображения
Низкий контраст изображения
Средний контраст изображения

Высокий контраст изображения

Низкий контраст изображения

Средний контраст изображения

  1. Освещение – создание освещённости поверхностей предметов, обеспечивающее их видимость либо возможность регистрации светочувствительными веществами или устройствами. Освещение бывает естественным, искусственным и смешанным. Естественное освещение, создаваемое природными источниками света, меняется в широчайших пределах в зависимости от времени суток и года, географической широты местности, состояния атмосферы и т.д.

В качестве искусственных источников света раньше использовались костры, факелы, свечи, керосиновые лампы и т.д. На рубеже 19 и 20 веков в быт вошло электрическое освещение. В настоящее время применяются лампы накаливания, газоразрядные источники света, лампы вспышки и т. п.

  1. Пиксель (от англ. pixel: picture element – элемент изображения) – элемент изображения, точка растра – минимальный адресуемый элемент двумерного (обычно прямоугольного) растрового изображения, для которого задаются или определяются цвет и яркость.
Цифровое изображение

Цифровое изображение

Увеличенный фрагмент изображения. Пиксельная структура

Если используется цветовое пространство RGB, пиксели изображения могут быть красного, зеленого или синего цвета. Если изображение сохранено в цветовом пространстве CMYK, пиксели могут быть голубыми, пурпурными, желтыми или черными.

8.1 «Битые» и «горячие» пиксели на матрице фотоаппарата

«Битые» пиксели могут быть постоянно белыми, либо постоянно черными, независимо от выдержки, ISO, температуры и других факторов.

«Горячие» пиксели неправильно реагируют на свет и выглядят цветными точками на фотографиях. Количество и яркость напрямую зависят от условий съемки: высокой окружающей температуры, длительной выдержки вкупе с высокими значениями ISO.

  1. Размер изображения – ширина и высота в пикселях (для изображений в файлах) или в миллиметрах (для фотоотпечатков, фотопленок).
  2. Разрешение изображениячисло раздельных элементов, из которых формируется изображение, на единицу длины или площади. Для устройств, не имеющих дискретных элементов (пикселей), например для фотоплёнки, термин применяется как синоним понятия «разрешающая способность». Иногда ошибочно (по аналогии с англ. термином) используется для обозначения общего количества элементов изображения напрямую или в виде произведения ширины и высоты изображения.

При выводе на экран или бумагу изображение занимает прямоугольник определённого размера. Для оптимального размещения изображения на экране необходимо согласовывать количество точек в изображении, пропорции его сторон с соответствующими параметрами устройства отображения. Если пиксели изображения выводятся пикселями устройства вывода один к одному, размер будет определяться только разрешением устройства вывода. Соответственно, чем выше разрешение экрана, тем больше точек отображается на той же площади и тем менее зернистым и более качественным будет изображение. При большом количестве точек на маленькой площади глаз не замечает мозаичности рисунка, и наоборот – малое разрешение делает заметным растр изображения («ступеньки»). Высокое разрешение изображения при малом размере плоскости отображающего устройства не позволит вывести на него всё изображение, либо при выводе изображение будет «подгоняться» (например, для каждого отображаемого пикселя усреднятся цвета попадающей в него части исходного изображения). Если необходимо крупно отобразить изображение небольшого размера на устройстве с высоким разрешением, следует вычислять цвета промежуточных пикселей. Изменение их фактического количества называется передискретизация, и для её вычисления существует целый ряд алгоритмов разной сложности.

Для вывода на бумагу красками фиксированного цвета и яркости, доступными принтеру такие изображения преобразуются под возможности принтера: проводится цветоделение, масштабирование и растеризация. Для отображения цвета разной яркости и оттенка устройство группирует несколько точек доступного ему цвета меньшего размера (например, один серый пиксель исходного изображения на печати, как правило, представляется несколькими маленькими чёрными точками на белом фоне).

Большинство форматов графических файлов позволяет хранить сведения о желаемом масштабе при выводе на печать. Разрешение печати в dpi – это справочная величина, указывающая на количество точек на единицу длины (например 300 dpi означает 300 точек на один дюйм). Как правило, для получения отпечатка фотографии, который предназначен для рассматривания с расстояния 40 – 45 см, достаточно разрешения 300 dpi. Исходя из этого можно рассчитать, какого размера отпечаток можно получить из имеющегося изображения или какого размера изображение нужно получить, чтоб затем сделать отпечаток нужного размера.

Например, необходимо напечатать изображение с разрешением 300 dpi на бумаге размером 10×10 см (3,9×3,9 дюймов). Умножив 3,9 на 300, можно получить размер фотографии в пикселях: 1170×1170. Таким образом, для печати изображения приемлемого качества размером 10×10 см размер исходного изображения должен быть не менее 1170×1170 пикселей.

Для обозначения разрешающей способности различных процессов преобразования изображений (сканирование, печать, и т.п.) используют следующие термины:

  • dpi (англ.dots per inch) – количество точек на дюйм.
  • ppi (англ.pixels per inch) – количество пикселей на дюйм.
  • lpi (англ.lines per inch) – количество линий на дюйм – разрешающая способность графических планшетов (дигитайзеров).
  • spi (англ.samples per inch) – количество семплов на дюйм; плотность дискретизации, в том числе разрешение сканеров изображений.

По историческим причинам величины стараются приводить к формату dpi, хотя с практической точки зрения ppi более однозначно характеризует процессы печати или сканирования. Измерение в lpi широко используется в полиграфии, в spi – для описания внутренних процессов устройств или алгоритмов.

  1. Резкость фотографического изображения – степень размытости границы между двумя его участками с различными экспозициями. Зависит от свойств фотоматериала, условий его экспонирования и обработки.

Резкость описывает различимость деталей на фотографии и может использоваться как важный творческий инструмент для выделения текстуры. Специальные технические приёмы фотографии и постобработки могут значительно улучшить резкость, хотя она ограничена возможностями камеры, увеличением изображения и дистанцией просмотра. На воспринимаемую резкость изображения влияют два фундаментальных фактора: разрешение и чёткость.

Чёткость высокая
Чёткость низкая
Высокое разрешение камеры
Разрешение камеры

Чёткость высокая

Чёткость низкая

Высокое разрешение камеры

Низкое разрешение камеры

Разрешение цифровых фотокамер ограничено их сенсорами, а чёткость зависит от качества используемого объектива и от типа постобработки. Чёткость является единственным показателем резкости, который доступен контролю, после того как снимок сделан, и именно чёткость повышается, когда изображение подвергается повышению резкости. Для получения фотографии необходима высокая чёткость и высокое разрешение, чтобы они воспринимались как достаточно резкие. Следующий пример разработан для того, чтобы дать вам понять, как каждый из факторов влияет на снимок:

Чёткость высокая. Разрешение низкое
Чёткость низкая. Разрешение высокое
Чёткость высокая. Разрешение высокое

Чёткость высокая. Разрешение низкое

Чёткость низкая. Разрешение высокое

Чёткость высокая. Разрешение высокое

Резкость также зависит от других факторов, влияющих на восприятие разрешения и чёткости. Визуальный «шум» (или «зерно» плёнки) обычно пагубно влияет на изображение, однако его малое количество может повысить ощущение резкости.

Шум невелик (размыто)

Шум велик (резко)

Хотя резкость обоих изображений не повышалась, левое кажется более размытым и менее детальным.

«Шум» может быть очень мелким и иметь очень высокую чёткость, вследствие чего детали изображения визуально воспринимаются как резкие.

Резкость зависит также от дистанции просмотра. Изображения, предназначенные для просмотра с большого расстояния (например, постеры или рекламные щиты), могут иметь гораздо меньшее разрешение, чем отпечатки для галереи искусств, но при этом казаться более резкими из-за дистанции просмотра.

  1. Цифровой «шум» – дефект изображения, вносимый фотосенсорами и электроникой используемых устройств (цифровой фотоаппарат, теле-/видеокамеры и т.п.). Он проявляется в виде случайным образом расположенных элементов растра (точек), имеющих размеры, близкие к размеру пикселя. Цифровой «шум» отличается от изображения более светлым или тёмным оттенком серого (от англ. luminance noise – яркостный «шум») или по цвету (от англ. chrominance noise – хроматический «шум»). Яркостный «шум» часто виден на однотонных участках (например, на которых изображено ясное голубое небо).

«Шумы» почти всегда ухудшают качество изображения, от них трудно избавиться, потому что их порождают несколько причин. Невозможно полностью убрать шумы из изображения, как нельзя изготовить пленку без «зерна».

Цифровой шум

Цифровой шум

На уровень «шума» также влияют размеры элементов матрицы. Чем они крупнее, тем больше света он принимает во время экспонирования. Чем больше света, тем сильнее сигнал и, следовательно, больше соотношение «сигнал / шум», которое и определяет, насколько «шумы» проявятся в изображении. «Шум» возрастает с увеличением установленного значения светочувствительности. При её повышении правильная экспозиция получается при меньшем количестве света. Соотношение «сигнал / шум» прямо пропорционально количеству света, получаемому пикселем. Кроме того, процесс усиления влияет не только на правильный пиксель изображения, но и на «зашумленный». Это усугубляет проблему, так как «шумы» усиливаются при считывании (процесс измерения зарядов каждого элемента матрицы и преобразование результата в цифровую форму). Также на появление видимых шумов влияет выдержка. Во время экспонирования матрица активна и нагревается, тепло передается электронам, которые освобождаются от своих молекул. Эти свободные электроны присоединяются к электронам, освобожденным фотонами, что приводит к появлению видимых шумов. При коротких выдержках (как правило, меньше одной секунды) фактор нагрева матрицы не оказывает сильное влияние на уровень видимых «шумов».

13. Зернистость – характерна для изображений на традиционных фотоматериалах (фотопленке, фотобумаге). Неоднородность равномерно экспонированного и проявленного фотографического изображения, видимая при его большом увеличении, обусловлена различиями в размерах светочувствительных частиц, «зёрен» (обычно кристаллов галоидного серебра) в проявленном фотографическом слое.

Черно-белый отпечаток полученный с негативной фотопленки

Увеличенный фрагмент левого верхнего края изображения

Зернистость ухудшает качество фотографического изображения, делает его менее чётким и различимым. Определяется размерами светочувствительных частиц (зависит от светочувствительности фотоматериала, и возрастает с ростом экспозиции и степени проявленности слоя).

  1. Цветопередача – воспроизведение цветов оригинала (объекта) на картине, фотоснимке, киноэкране, экране телевизора и т.п. При цветопередаче неизбежны цветовые искажения, зависящие от особенностей процесса. Различают три способа оценки точности цветопередачи: физический, физиологический и психологический. Физическая точность характеризуется степенью близости спектрального состава излучения, исходящего от любой точки (малого участка) оригинала и соответствующей ей точки изображения; физиологическая – степенью близости цветовых ощущений при визуальном восприятии малого участка оригинала и соответствующего малого участка изображения. Значительной психологической точности можно достичь при условии, если искажение цвета на каком-либо участке изображения «уравновешивается» определёнными искажениями на других его участках.

Цветопередача – психологически точное воспроизведение на оттиске цветов и цветовых оттенков оригинала при сравнении двух изображений в одинаковых условиях освещенности.

Цветопередача смещена в синюю область спектра

Цветопередача сбалансирована

  1. Форматы файлов фотоизображений

15.1. JPEG самый распространенный формат изображений. При сохранении файлов в нём компьютер находит одноцветные области и кодирует их. Зрение человека устроено так, что он не может увидеть, несколько точек другого оттенка на одноцветном фоне похожего цвета. Именно поэтому при сохранении в формате JPEG отдельные точки изображения не выделяются, а кодируются так же, как основной фон. Существует несколько степеней сжатия JPEG: чем она сильнее, тем менее детализована будет картинка.

15.2. TIFF формат, дающий возможность практически без потерь хранить изображение: специальный язык разметки файла позволяет сохранять всю возможную информацию о картинке (от размера изображения до количества используемых в нем цветов). Однако за сохранение картинок хорошего качества приходится расплачиваться размерами файлов: фотографии формата TIFF порой занимают в три раза больше места, чем аналогичные в формате JPЕG.

12.3. RAW специальный формат, сохраняющий картинки в том виде, в котором они поступают с матрицы в процессор (числовые массивы). Каждый массив хранит в себе информацию об одной из точек изображения. Фотокамеры разных производителей сохраняют RAW-файлы со «своим» расширением (Nikon-NEF, Canon-CR). Только специальная программа-конвертер, чаще всего входящая в комплект программного обеспечения фотокамеры, позволяет распознать такое «изображение», зато его качество ее будет максимальным.

Литература:

  1. Большая советская энциклопедия. – М.: Советская энциклопедия 1969—1978.
  2. Ефремов А. В. Секреты RAW. Профессиональная обработка. -Санкт-Петербург, 2008.
  3. Бояров П.И. Фотография. Энциклопедический справочник.- Минск, 1992. 
  4. http://www.cambridgeincolour.com.
  5. https://ru.wikipedia.org.

Бюро экспертиз Решение

Данный сайт https://ekspertiza-reshenie.ru носит исключительно информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями статьи 437 Гражданского кодекса Российской Федерации.