Спосіб фотозйомки й пристрій для його здійснення

1. Спосіб фотозйомки, що полягає в експонуванні світлочутливого матеріалу просторово співпадаючим позитивним і негативним зображенням об'єкта зйомки, при якому негативне зображення об'єкта зйомки є нерізким, який відрізняється тим, що спочатку на прозорому плоскому елементі, розташованому перед світлочутливим матеріалом, формують нерізку маску, що являє собою негативне зображення об'єкта, що фотографують, після чого через побудовану маску на світлочутливий матеріал у будь-якій послідовності експонують різке зображення того ж об'єкта й зображення об'єкта рівномірної яскравості. 2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що для побудови нерізкої маски застосовують фотохромний матеріал, що має властивість вибірної зміни свого коефіцієнта пропускання під дією світла. 2 3 ляють погодити характеристики світлочутливого матеріалу з яскравісними характеристиками об'єкта зйомки. Керування експозицією здійснюється шляхом зміни відносного отвору об'єктива, кратності використовуваного світлофільтра, ефективної витримки механічного або електронного затвора, а також шляхом комбінованої програмної зміни даних параметрів. Експонометричні пристрої здійснюють подавления в зображенні наднизьких просторових частот, при цьому частота зрізу фільтра визначається кутом поля зору знімальної камери. Широко відомі аерофотоекспонометричні пристрої (Сизов А.П.О некоторых вопросах регулирования экспозиции и компенсации сдвига изображения при аэрофотосъёмке // Качество аэрофотоизображения: Материалы семинара Межведомственной комиссии по аэрофотосъёмке при АН СССР. -Л.: Географическое общество, 1969. стр.109-124), що працюють по середній яскравості об'єктів у межах усього кадру, мінімальної яскравості об'єктів, або по середній яскравості об'єктів сюжетно важливої частини кадру. При будь-якому способі регулювання експозиції, при зйомці об'єктів у широкому інтервалі яскравостей, допускається втрата інформації. Це викликано невідповідністю динамічного діапазону реєстратора зображення (світлочутливого матеріалу) діапазону яскравостей об'єктів, що фотографуються, у межах кадру. Дана невідповідність визначається дією ряду факторів: перепад освітленості тіньсонце, влучення в поле зору знімальної камери диму від заводських труб, відблисків від дзеркально відбиваючих і водних поверхонь, зйомка об'єктів, що світяться, широкий діапазон зміни коефіцієнтів яскравості об'єктів зйомки (від 0,02 для чорнозему до 1,0 для снігу, що тільки випав), косінусоїдальний закон падіння освітленості від центру до краю кадру, малий динамічний діапазон світлочутливих матеріалів (особливо, які використовуються з метою аерофотознімання). Відомий спосіб фотозйомки використанням щілинного фотоапарата (Мельканович А.Ф. Фотографические средства и их эксплуатация. - Л.: МО СССР, 1984. стр.218-221), що дозволяє погодити інтервал експозицій з фотографічною широтою фотоматеріалу, що використовується. Для його реалізації, експозиційну щілину фотоапарата виконують із оперативно змінюваним профілем. Ширину експозиційної щілини в районі зображень, що відповідають об'єктам підвищеної яскравості, встановлюють меншу, ніж ширину експозиційної щілини в районі зображень, що відповідають об'єктам низької яскравості. У результаті, час експонування фотоматеріалу в різних точках кадру виявляється різним, за рахунок чого, компенсуються розходження в освітленості. Спосіб придатний тільки для використання в знімальних апаратах з послідовним експонуванням світлочутливого матеріалу (наприклад, щілинних і панорамних фотоапаратах). Широко відомий спосіб експонування світлочутливого фотоматеріалу через «нерізку маску» (Фризер X. Фотографическая регистрация информации. - М.: Мир, 1978. стр.267-269). 3 негативу виготовляють нерізкий позитив. Обоє зображення 87415 4 складають і через них здійснюють експонування світлочутливого фотоматеріалу. Спосіб дозволяє, за рахунок придушення низьких просторових частот, що не несуть корисну інформацію, погодити діапазон щільності негативу з фотографічною широтою світлочутливого фотоматеріалу. Спосіб не може бути використаний при фотографуванні. Відомий спосіб одержання спектрозонального зображення при аерофотозніманні (заявка 94039205, рішення про видачу патенту РФ). Перед світлочутливим матеріалом встановлюють скло з фотохромного матеріалу. На склі за допомогою додаткового оптико-електронного каналу формують нерізку маску зображення об'єкта, що фотографують, після чого світлочутливий фотоматеріал експонують черезпобудовану маску. При цьому нерізка маска характеризується розподілом яскравостей в одній зоні спектру оптичного випромінювання, у той час, як експонування проводиться в іншій. У випадку побудови маски й експонування в одній і тій же зоні спектру оптичного випромінювання, досягається ефект нерізкого маскування, тобто, подавлення низькочастотної складової спектра вхідного сигналу, і, як наслідок, узгодження діапазону експозицій з фотографічною широтою використовуваного світлочутливого матеріалу. Разом з тим, наявність частково прозорої частотно-вибірної фільтр-маски, істотно (до 10 разів) знижує середню освітленість світлочутливого матеріалу. Для одержання нормального вихідного сигналу (для фотоплівок - оптичної щільності, для ПЗЗ елементів - потенціалу), зниження освітленості повинне бути скомпенсоване або збільшенням відносного отвору об'єктива, або збільшенням витримки, або підвищенням світлочутливості приймача. При фотографуванні зображення, що рухається, і довгій витримці, якість результуючого зображення може бути знижена через зсув. Збільшення світлочутливості приймача приводить до збільшення шумів у зображенні. Відомий спосіб зміни контрасту зображення при аерофотозйомці (деклараційний патент України 33873А), що є прототипом винаходу, що заявляється. Фотографування здійснюють у два етапи. На першому етапі на світлочутливий матеріал експонують зображення об'єкта, що фотографується, яке формують за допомогою об'єктива. На другому етапі, на світлочутливий матеріал експонують зображення того ж об'єкта, що по просторовому розподілі збігається з першим, однак є нерізким і негативним стосовно першого. Друге зображення формують за допомогою додаткового оптикоелектронного каналу. Пристрій для реалізації способу (те ж джерело інформації) являє собою традиційний фотоапарат, що містить додатковий оптико-електронний канал, у свою чергу включає об'єктив, оптико-електронний інвертор, проекційну систему й напівпрозоре дзеркало. Зображення, які формовані об'єктивом фотоапарата й системами оптико-електронного каналу, точно співпадають у площині світлочутливого матеріалу. Послідовне (або паралельне) експонування здійснюють за допомогою затворів. Спосіб, прийнятий за прототип, дозволяє погодити динамічний діапазон вхідного сигналу (діа 5 пазон яскравостей об'єкта в межах кадру) з динамічним діапазоном фоторегістратора (фотографічною широтою фотоплівки). За рахунок енергії другого експонування, витримка може бути зменшена (до двох разів). Разом з тим, спосіб не вільний від недоліків. Експонування нерізким зображенням рівносильне додатковому засвітленню елементарних ділянок кадру. Причому, рівень засвітлення тим вище, чим темніше зображення. Додаткове засвітлення істотно знижує контраст дрібних елементів зображення, що, у більшості випадків фотографування, є неприпустимим. В основу винаходу покладене завдання підвищення якості результуючого зображення за рахунок одночасного взаємозалежного використання мультиплікативного й адитивного методів просторової фільтрації, якими є нерізке маскування й подвійне експонування. Це дозволить подавити не несучої корисної інформації низькочастотні складові спектра вхідного сигналу, знизивши при цьому втрати від зсуву зображення й зменшення контрасту зображень дрібних об'єктів. Завдання, покладене в основу винаходу, вирішується за рахунок того, що в способі фотозйомки, що полягає в експонуванні світлочутливого матеріалу просторово співпадаючим позитивним і негативним зображенням об'єкта зйомки, при якому негативне зображення об'єкта зйомки є нерізким, відповідно до винаходу, спочатку на прозорому плоскому елементі, розташованому перед світлочутливим матеріалом, будують нерізку маску, що представляє собою негативне зображення об'єкта, що фотографують, після чого через побудовану маску на світлочутливий матеріал у будьякій послідовності експонують різке зображення того ж об'єкта й зображення об'єкта рівномірної яскравості. Для реалізації способу фотозйомки пропонується пристрій, що містить оптичний і оптикоелектронний канал побудови зображення на світлочутливому матеріалі, а також прозорий елемент для побудови нерізкої маски, розташований поблизу від світлочутливого матеріалу, в оптичну схему якого, відповідно до винаходу, уведене джерело випромінювання, спрямоване на прозорий елемент, що створює на ньому рівномірну освітленість в області спектральної чутливості світлочутливого матеріалу. Пропонований спосіб здійснюють у такий спосіб. На плоскому прозорому елементі, розташованому перед світлочутливим матеріалом, формують нерізку маску, що представляє собою негативне зображення об'єкта, що фотографують. Для виготовлення плоского прозорого елементу може бути використаний фотохромний матеріал, що має властивість вибірної зміни свого коефіцієнта пропущення під дією світла (Перспективы и возможности несеребряной фотографии // И.А.Акимов, В.А.Барачевский, Ю.П.Гущо. Под ред. А.Л.Картужанского. - Л.: Химия, 1988, 240с). Причому, фотохромний матеріал може мати чутливість в одній області спектра оптичного випромінювання (наприклад, в ультрафіолетовій), у той час, як зміна його коефіцієнта пропущення буде відбуватися в іншій області спектра оптичного ви 87415 6 промінювання (наприклад, у видимій). При цьому фотохромний матеріал має світлову характеристику, аналогічну характеристичній кривій фотоматеріалу, який містить срібло. У цьому випадку, для прямолінійної ділянки характеристичної кривої, правомірно записати: æH ö Dt = g (lg(Ht ) - lg(Hi )) = g × lgç t ÷ (1) çH ÷ è iø де Dt - значення оптичної щільності фотохромного матеріалу, що відповідає експозиції Нt; Hi експозиція, що відповідає точці інерції характеристичної кривої фотохромного матеріалу; g - коефіцієнт контрастності фотохромного матеріалу. З урахуванням зв'язку між оптичною щільністю Dt й коефіцієнтом пропущення tt (2) Dt=-lg(tt) вираз (1) може бути записаний у вигляді: g æH ö (3) tt = ç i ÷ çH ÷ è tø Ступінь стиску динамічного діапазону вхідного сигналу може бути оцінена за коефіцієнтом маскування (Травин В.Г., Кадыков А.В. Особенности градационного маскирования при фотопечати. Журн. научн. и приклад, фотогр. и кинема-тогр., 1987, №1, стр.7-10), вираз для якого може бути записаний у вигляді: lg(KL0 ) KM = (4) lg(KH0 ) де: КL0 - інтервал яскравостей низькочастотних деталей об'єкту, що знімається, КH0 - інтервал експозицій низькочастотних деталей у результуючому зображенні об'єкту, що знімається. L KL0 = max (5) Lmin де Lmin, L,max - мінімальна й максимальна яскравість низькочастотних деталей об'єкта, що знімається. KH0 = H"max (6) H"min де H"min , H"max - експозиції в результуючому зображенні, що відповідають низькочастотним деталям об'єкта, що знімається, з мінімальною й максимальною яскравістю. Очевидно, що коефіцієнт пропущення в побудованій нерізкій масці буде максимальним у місцях розташування зображень деталей об'єкта, що знімається, з мінімальною яскравістю, і мінімальним у місцях розташування зображень деталей об'єкта, що знімається, з максимальною яскравістю. g æ H ö (Hi )g i ÷ (7) = t max = ç ç HM min ÷ (Lmin × K1)g è ø де НМ min - мінімальна експозиція, одержувана матеріалом маски; К1 - коефіцієнт, що зв'язує яскравість об'єкта зйомки експозицією матеріалу маски. 7 87415 g æ H ö (Hi )g i ÷ = (8) t min = ç ç HM max ÷ (Lmin × K1)g è ø де НМ mах - максимальна експозиція, одержувана матеріалом маски. Після побудови маски, у довільному порядку, на світлочутливий шар експонують різке зображення того ж об'єкта й зображення об'єкта рівномірної яскравості. У цьому випадку, світлочутливий шар одержує експозиції: (Hi )g × Lmax × K 2 + H"max = (Lmax × K1)g (9) g æ Hi ö (Hi )g Lmax + L0 + × L0 × K 2 = ç ÷ × K 2 çK ÷ (Lmin × K1)g (Lmax )g è 1ø де K2 - коефіцієнт, що зв'язує яскравість об'єкта зйомки експозицією світлочутливого матеріалу; L0 - яскравість умовного об'єкта (площадка рівномірної яскравості в межах кадру). Аналогічно: g æH ö +L L (10) H"min = ç i ÷ × K 2 min g 0 çK ÷ (Lmin ) è 1ø У цьому випадку, вираз для інтервалу яскравостей низькочастотних деталей у результуючому зображенні об'єкта, що знімається, (6) запишеться у вигляді: KH0 H" (L + L0 ) æ L min = max = max ×ç H"min (L min + L 0 ) ç Lmax è g ö ÷ = ÷ ø (11) Lmax + L 0 -g × KL0 Lmin + L 0 Для спрощення, вираз для яскравості умовного об'єкта L0 може бути записаний у вигляді функції середньої яскравості Lcp об'єкта, що знімається: + Lmin L L0 = K c × L cp = K c × max (12) 2 де Kс - коефіцієнт пропорційності. З обліком (12), виразу (11) може бути приведений до виду: 2 × Lmax + K c × Lmax + K c × Lmin -g KH0 = ×K (13) 2 × Lmin + Kc × Lmax + K c × Lmax L0 Після розподілу знаменника й чисельника дробу на Lmin, вираз (13) приводиться до виду: 2 × LL 0 + K c × LL 0 + K c -g KH0 = × KL0 (14) 2 + K c × LL 0 + K c Після підстановки виразів (5) і (14) у формулу (4), може бути отриманий вираз, що описує зміну коефіцієнта маскування у випадку використання пропонованого у винаході процесу реєстрації зображення: lg(KL0 ) KM = æ 2 × KL0 + K c × KL0 + K c ö (15) ÷ - g × lg(KL0 ) lgç ÷ ç 2 + K ×K + K c L0 c ø è = Після розподілу знаменника й чисельника дробу на lg(KL0): KM = = 1 lg(2 × KL0 + Kc × (KL0 + 1)) - lg(2 + K c × (KL0 + 1)) -g lg(KL0 ) (16) 8 У реальних умовах, існують труднощі в оперативній зміні коефіцієнта контрастності матеріалу для побудови маски. Більш зручно й доцільно змінювати контраст зображення в оптикоелектронному каналі, призначеному для вдруковування маски. У цьому випадку, вираз (16) може бути записаний у вигляді: KM = = 1 lg( 2 × K L0 + K c × (KL 0 + 1)) - lg( 2 + K c × (KL0 + 1)) - g × g ОЭК lg(KL0 ) (17) де gОЭК - коефіцієнт контрастності оптикоелектронного каналу. З аналізу виразу (17) можна зробити висновок, що при використанні запропонованого способу фотозйомки, можна домогтися необхідного коефіцієнта маскування, а отже, необхідного ступеня стиску динамічного діапазону вхідного оптичного сигналу, шляхом вибору контрасту зображення маски й інтенсивності рівномірного засвітлювання. При цьому потрібен апріорний аналіз сцени зйомки з метою визначення інтервалу яскравостей. Середня експозиція H" cp при використанні пропонованого способу, може бути визначена в такий спосіб: H" = (Lcp + L0 ) × K 2 × t cp = cp = (Lcp + Lcp × K c ) × K 2 × t cp = (1 + K c ) × Lcp × K 2 × t cp (17) де tср - середній коефіцієнт пропущення маски. Ступінь зниження (збільшення) середньої експозиції при використанні пропонованого способу, може бути визначена з виразу: Hcp Lcp × K 2 1 = = (18) " Hcp (1+ K c ) × Lcp × K 2 × t cp (1 + K c ) × t cp де Нcp - середня експозиція на поверхні світлочутливого матеріалу при прямому експонуванні, без застосування пропонованого способу. З виразу (18) видно, що енергетичні втрати будуть відсутні при виконанні умови: (19) (1+Kс)×tср=1 звідки 1 -1 Kc = (20) t cp Таким чином, при використанні пропонованого комбінованого способу фотозйомки, здійснюється просторова фільтрація зображення безпосередньо в оптичному каналі, що дозволяє уникнути втрати інформації, пов'язані з невідповідністю динамічного діапазону вхідного сигналу динамічному діапазону реєстратора зображення. При цьому для реалізації адитивного й мультиплікативного методів просторової фільтрації, використовується загальна фільтр-маска, що значно спрощує практичну реалізацію способу. Одночасне взаємозалежне використання нерізкого маскування й подвійного експонування дозволяє оптимізувати параметри процесу, знизивши втрати від зсуву зображення, які були ймовірні при використанні нерізкого маскування через необхідність використання довгих витримок. Крім того, оптимізація параметрів процесу дозволяє значно знизити рівень зовнішнього 9 засвітлювання зображень об'єктів, які малоконтрасні. Спосіб фотозйомки й робота пристрою для його здійснення пояснюються малюнками, представленими на Фіг.1-3. На Фіг.1 показана характеристична крива фотохромного матеріалу. Де: D - оптична щільність почорніння фотохромного матеріалу; Dt - оптична щільність почорніння фотохромного матеріалу, що відповідає деякій експозиції Ht, H - експозиція, Hi експозиція, що відповідає точці інерції характеристичної кривої фотохромного матеріалу. На Фіг.2 показані малюнки, що ілюструють роботу пропонованого способу. Де L - яскравість об'єктів зйомки; х - координата в площині розташування об'єктів зйомки; х' - координата в площині маски, що відповідає координаті х; х" - координата в площині світлочутливого матеріалу, що відповідає координатам х і х'; tм - коефіцієнт пропущення маски; Н" - експозиція на поверхні світлочутливого матеріалу. На Фіг.3 показаний малюнок, що пояснює конструкцію пристрою, що реалізує пропонований спосіб фотозйомки. Де: 1 - об'єктив фотоапарату; 2 - світлочутливий матеріал; 3 - оптико-електронний канал; 4 - плоский елемент для побудови маски (фотохромний матеріал); 5 - світлофільтр або прозорий електронний затвор; 6 - діхроїчне дзеркало; 7 - об'єктив оптико-електронного каналу; 8 - перетворювач спектру оптичного випромінювання; 9 проекційний об'єктив; 10 - джерело випромінювання. Пристрій для реалізації пропонованого способу фотозйомки включає два канали - оптичний і оптико-електронний. Оптичний канал являє собою традиційний фотоапарат, що складається з об'єктива 1, у картинній площині якого встановлений світлочутливий матеріал 2. Механізм діафрагми, затвори, а так само інші другорядні пристрої, як оптичного каналу, так і оптико-електронного, на схемі не показані. Паралельно поверхні світлочутливого матеріалу 2 і в безпосередньо поблизу від нього встановлений плоский елемент для побудови маски 4. Між елементом 4 і світлочутливим матеріалом 2 установлений світлофільтр або прозорий електронний затвор 5. У ході променів, під кутом до головної оптичної осі оптичного каналу, між об'єктивом 1 і плоским елементом для побудови маски 4 розміщене діхроїчне дзеркало 6. Поруч із оптичним каналом розташований оптикоелектронний канал 3. Головна оптична вісь об'єктива оптико-електронного каналу 7 і об'єктива 1 паралельні один одному, а кути поля зору обох каналів збігаються. У картинній площині об'єктива оптико-електронного каналу 7 розташована чутлива площадка перетворювача спектра оптичного випромінювання 8, екран якого, через проекційний об'єктив 9 і діхроїчне дзеркало 6 оптично сполучене зі світлочутливим матеріалом 2. Крім того, в оптичну схему введене джерело випромінювання 10, спрямоване на прозорий елемент 4, і, що створює на ньому рівномірну освітленість в області спектральної чутливості світлочутливого матеріалу. 87415 10 Робота пристрою, що реалізує пропонований спосіб, полягає в наступному. Елементи конструкції встановлюють і юстирують так, що б зображення, яке формоване оптичним каналом у площині світлочутливого матеріалу, просторово збігалося із зображенням, формованим оптико-електронним каналом 3. У початковий момент часу, затвор об'єктива оптичного каналу - закритий. За допомогою оптико-електронного каналу 3, оснащеного механічним або електронним затвором, здійснюють експонування прозорого елемента 4. У випадку використання фотохромного матеріалу, експонування здійснюють ультрафіолетовим випромінюванням. Фотохромні матеріали характеризуються високою чутливістю до ультрафіолетового випромінювання, у той час як зміна їхнього коефіцієнта пропущення спостерігається у видимій області спектра оптичного випромінювання. У результаті експонування, на прозорому матеріалі 4 формується негативна маска (аналогічно негативу, одержуваному на традиційних фотоматеріалах). Світлофільтр або прозорий електронний затвор 5 призначений для запобігання засвітлення світлочутливого матеріалу 2 під час побудови маски. Після цього, оптико-електронний канал 3 відключають, і, у довільній послідовності, через побудовану маску, світлочутливий матеріал 2 експонують зображенням об'єкта, що фотографують, формованим об'єктивом 1 і випромінюванням від джерела 10, спрямованого на прозорий елемент, і, що створює на ньому рівномірну освітленість в області спектральної чутливості світлочутливого матеріалу. Для зменшення енергетичних втрат, діхроїчне дзеркало 6 повинне мати максимальний коефіцієнт пропущення в області спектральної чутливості світлочутливого матеріалу 2 і максимальний коефіцієнт пропущення в області спектральної чутливості матеріалу для побудови маски (Бабенко B.C. Оптика телевизионных систем. - М.: Радио и связь, 1982. - стр.154-155). Фотохромний матеріал характеризується високою чутливістю до фарбування й низкою чутливістю до знебарвлення. При високому темпі зйомки (наприклад, в аерофотоапаратах), фотохромний матеріал може не встигнути знебарвитися за часовий проміжок між кадрами. Для прискорення даного процесу, може використовуватися термічне знебарвлення. Для практичної реалізації прискореного знебарвлення, як джерело випромінювання 10 бажане використання джерела інфрачервоного випромінювання. У цьому випадку, джерело випромінювання 10 використовують як для експонування світлочутливого матеріалу, так і для опромінення маски в проміжок часу між кадрами. У цьому випадку, для запобігання засвітлення світлочутливого матеріалу, використовують прозорий електронний затвор 5. Використання пропонованого способу дозволяє підвищити якість результуючого зображення при зйомці в умовах великого діапазону яскравостей об'єкта фотографування. Найбільший ефект від застосування пропонованого способу варто очікувати при проведенні аерофотознімання. 11 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 87415 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601