СПОСОБ ФОТОСЪЕМКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PHOTOGRAPHING METHOD AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к фототехнике, преимущественно к технике экспонирования светочувствительных материалов.
С целью получения изображения объектов широко используются фотографические методы. В общем случае, фотографический метод регистрации изображения включает несколько основных этапов. На первом этапе не обладающий собственным излучением в интересующей наблюдателя спектральном диапазоне оптического излучения объект съемки освещают с помощью естественных или искусственных источников излучения. На втором этапе изображение объекта съемки в течение некоторого времени проецируют с помощь оптических средств (например, объектива и затвора) на светочувствительный материал. На третьем этапе производят фиксацию изображения с помощью светочувствительного материала. В качестве светочувствительного материала используют фотопленку или фотоприемник (например, матрицу ПЗС).
Для получения качественного изображения в реальных условиях в съемочных камерах широко используются экспонометрические устройства, позволяющие согласовать характеристики светочувствительного материала с яркостными характеристиками объекта съемки. Управление экспозицией осуществляется путем изменения относительного отверстия объектива, кратности используемого светофильтра, эффективной выдержки механического или электронного затвора, а также путем комбинированного программного изменения данных параметров. Экспонометрические устройства осуществляют подавление в изображении сверхнизких пространственных частот, при этом частота среза фильтра определяется углом поля зрения съемочной камеры.
Широко известны аэрофотоэкспонометрические устройства (Сизов А.П. О некоторых вопросах регулирования экспозиции и компенсации сдвига изображения при аэрофотосъемке // Качество аэрофотоизображения: Материалы семинара Межведомственной комиссии по аэрофотосъемке при АН СССР. - Л.: Географическое общество, 1969, стр.109-124), работающие по средней яркости объектов в пределах всего кадра, минимальной яркости объектов, или по средней яркости объектов сюжетно важной части кадра. При любом способе регулирования экспозиции, при съемке объектов в широком интервале яркостей, допускается потеря информации. Это вызвано несоответствием динамического диапазона регистратора изображения (светочувствительного материала) диапазону яркостей фотографируемых объектов в пределах кадра. Данное несоответствие определяется действием ряда факторов: перепад освещенности тень-солнце, попадание в поле зрения съемочной камеры дыма от заводских труб, отблесков от зеркально отражающих и водных поверхностей, съемка светящихся объектов, широкий диапазон изменения коэффициентов яркости объектов съемки (от 0,02 для чернозема до 1,0 для свежевыпавшего снега), косинусоидальный закон падения освещенности от центра к краю кадра, малый динамический диапазон светочувствительных материалов (в особенности, используемых в целях аэрофотосъемки).
Известен способ фотосъемки с использованием щелевого фотоаппарата (Мельканович А.Ф. Фотографические средства и их эксплуатация. - Л.: МО СССР, 1984, стр.218-221), позволяющий согласовать интервал экспозиций с фотографической широтой используемого фотоматериала. Для его реализации экспозиционную щель фотоаппарата выполняют с оперативно изменяемым профилем. Ширину экспозиционной щели в районе изображений, соответствующих объектам повышенной яркости, устанавливают меньшую, чем ширину экспозиционной щели в районе изображений, соответствующих объектам низкой яркости. В результате, время экспонирования фотоматериала в различных точках оказывается разным, за счет чего компенсируются различия в освещенности. Способ пригоден только для использования в съемочных аппаратах с последовательным экспонированием светочувствительного материала (например, щелевых и панорамных фотоаппаратах).
Широко известен способ экспонирования светочувствительного фотоматериала через «нерезкую маску» (Фризер X. Фотографическая регистрация информации. - М.: Мир, 1978, стр.267-269). С негатива изготавливают нерезкий позитив. Оба изображения складывают и через них осуществляют экспонирование светочувствительного фотоматериала. Способ позволяет за счет подавления низких пространственных частот, не несущих полезную информацию, согласовать диапазон плотностей негатива с фотографической широтой светочувствительного фотоматериала. Способ не может быть использован при фотографировании.
Известен способ получения спектрозонального изображения при аэрофотосъемке (заявка 94039205, решение о выдаче патента РФ). Перед светочувствительным материалом устанавливают стекло из фотохромного материала. На стекле с помощью дополнительного оптико-электронного канала строят нерезкую маску изображения фотографируемого объекта, после чего светочувствительный фотоматериал экспонируют через построенную маску. При этом нерезкая маска характеризуется распределением яркостей в одной зоне спектра оптического излучения, в то время как экспонирование проводится в другой. В случае построения маски и экспонирования в одной и той же зоне спектра оптического излучения достигается эффект нерезкого маскирования, то есть подавления низкочастотной составляющей спектра входного сигнала, и, как следствие, согласование диапазона экспозиций с фотографической широтой используемого светочувствительного материала. Вместе с тем, наличие частично прозрачной частотно-избирательной фильтр-маски существенно (до 10 раз) снижает среднюю освещенность светочувствительного материала. Для получения нормального выходного сигнала (для фотопленок - оптической плотности, для ПЗС элементов - потенциала) снижение освещенности должно быть скомпенсировано либо увеличением относительного отверстия объектива, либо увеличением выдержки, либо повышением светочувствительности приемника. При фотографировании движущегося изображения и длинной выдержке качество результирующего изображения может быть снижено из-за смазов. Увеличение светочувствительности приемника приводит к увеличению шумов в изображении.
Известен способ изменения контраста изображения при аэрофотосъемке (декларационный патент Украины 33873А), являющийся прототипом заявляемого изобретения. Фотографирование осуществляют в два этапа. На первом этапе на светочувствительный материал экспонируют изображение фотографируемого объекта, формируемое с помощью объектива. На втором этапе на светочувствительный материал экспонируют изображение того же объекта, которое по пространственному распределению совпадает с первым, однако является нерезким и негативным по отношению к первому. Второе изображение формируют с помощью дополнительного оптико-электронного канала. Устройство для реализации способа (тот же источник информации) представляет собой традиционный фотоаппарат, содержащий дополнительный оптико-электронный канал, в свою очередь, включающий объектив, оптико-электронный инвертор, проекционную систему и полупрозрачное зеркало. Изображения, формируемые объективом фотоаппарата и системами оптико-электронного канала, точно совмещают в плоскости светочувствительного материала. Последовательное (или параллельное) экспонирование осуществляют с помощью затворов.
Способ, принятый за прототип, позволяет согласовать динамический диапазон входного сигнала (диапазон яркостей объекта в пределах кадра) с динамическим диапазоном фоторегистратора (фотографической широтой фотопленки). За счет энергии второго экспонирования выдержка может быть уменьшена. Вместе с тем, способ не свободен от недостатков. Экспонирование нерезким изображением равносильно дополнительной засветке элементарных участков кадра. Причем уровень засветки тем выше, чем темнее изображение. Дополнительная засветка существенно снижает контраст мелких элементов изображения, что, в большинстве случаев фотографирования, является недопустимым.
В основу изобретения положена задача повышения качества результирующего изображения за счет одновременного взаимосвязанного использования мультипликативного и аддитивного методов пространственной фильтрации, какими являются нерезкое маскирование и двойное экспонирование. Это позволит подавить не несущие полезной информации низкочастотные составляющие спектра входного сигнала, снизив при этом потери от смаза изображения и уменьшения контраста изображений мелких объектов.
Задача, положенная в основу изобретения, решается за счет того, что в способе фотосъемки, заключающемся в экспонировании светочувствительного материала пространственно совпадающими позитивным и негативным изображениями объекта съемки, при котором негативное изображение объекта съемки является нерезким, в соответствии с изобретением сначала на прозрачном плоском элементе, расположенном перед светочувствительным материалом, строят нерезкую маску, представляющую собой негативное изображение фотографируемого объекта, после чего через построенную маску на светочувствительный материал в любой последовательности экспонируют резкое изображение того же объекта и изображение объекта равномерной яркости.
Для реализации способа фотосъемки предлагается устройство, содержащее оптический и оптико-электронный канал построения изображения на светочувствительном материале, а также прозрачный элемент для построения нерезкой маски, расположенный в непосредственной близи от светочувствительного материала, в оптическую схему которого, в соответствии с изобретением, введен источник излучения, направленный на прозрачный элемент и создающий на нем равномерную освещенность в области спектральной чувствительности светочувствительного материала.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. На плоском прозрачном элементе, расположенном перед светочувствительным материалом, строят нерезкую маску, представляющую собой негативное изображение фотографируемого объекта. Для изготовления плоского прозрачного элемента может быть использован фотохромный материал, который обладает свойством избирательного изменения своего коэффициента пропускания под действием света (Перспективы и возможности несеребряной фотографии / И.А.Акимов, В.А.Барачевский, Ю.П.Гущо. Под ред. А.Л.Картужанского. - Л.: Химия, 1988, 240 с.). Причем фотохромный материал может иметь чувствительность в одной области спектра оптического излучения (например, в ультрафиолетовой), в то время как изменение его коэффициента пропускания будет происходить в другой области спектра оптического излучения (например, в видимой). При этом фотохромный материал имеет световую характеристику, аналогичную характеристической кривой серебросодержащего фотоматериала. В этом случае, для прямолинейного участка характеристической кривой правомерно записать:
t
t
i
где D - значение оптической плотности фотохромного материала, соответствующей экспозиции H; Н - экспозиция, соответствующая точке инерции характеристической кривой фотохромного материала; γ - коэффициент контрастности фотохромного материала.
t
t
С учетом связи между оптической плотностью D и коэффициентом пропускания τ
выражение (1) может быть записано в виде:
Степень сжатия динамического диапазона входного сигнала может быть оценена по коэффициенту маскирования (Травин В.Г., Кадыков А.В. Особенности градационного маскирования при фотопечати. - Журн. научн. и приклад. фотогр. и кинематогр., 1987, №1, стр.7-10), выражение для которого может быть записано в виде:
L0
H0
где К - интервал яркостей низкочастотных деталей снимаемого объекта, К - интервал экспозиций низкочастотных деталей в результирующем изображении снимаемого объекта.
min
max
где L, L - минимальная и максимальная яркость низкочастотных деталей снимаемого объекта.
где  - экспозиции в результирующем изображении, соответствующие низкочастотным деталям снимаемого объекта с минимальной и максимальной яркостью.
Очевидно, что коэффициент пропускания в построенной нерезкой маске будет максимальным в местах расположения изображений деталей снимаемого объекта с минимальной яркостью и минимальным в местах расположения изображений деталей снимаемого объекта с максимальной яркостью.
Mmin
1
где H - минимальная экспозиция, получаемая материалом маски; K - коэффициент, связывающий яркость объекта съемки с экспозицией материала маски.
Mmax
где H - максимальная экспозиция, получаемая материалом маски.
После построения маски, в произвольном порядке, на светочувствительный слой экспонируют резкое изображение того же объекта и изображение объекта равномерной яркости. В этом случае, светочувствительный слой получает экспозиции:
2
0
где K - коэффициент, связывающий яркость объекта съемки с экспозицией светочувствительного материала; L - яркость условного объекта (площадка равномерной яркости в пределах кадра).
Аналогично:
в этом случае, выражение для интервала яркостей низкочастотных деталей в результирующем изображении снимаемого объекта (6) запишется в виде:
0
ср
Для упрощения, выражение для яркости условного объекта L может быть записано в виде функции средней яркости L снимаемого объекта:
с
где K - коэффициент пропорциональности.
С учетом (12), выражение (11) может быть приведено к виду:
min
После деления знаменателя и числителя дроби на L, выражение (13) приводится к виду:
После подстановки выражений (5) и (14) в формулу (4) может быть получено выражение, описывающее изменение коэффициента маскирования в случае использования предлагаемого в изобретении процесса регистрации изображения:
L0
После деления знаменателя и числителя дроби на lg(K):
В реальных условиях существуют затруднения в оперативном изменении коэффициента контрастности материала для построения маски. Более удобно и целесообразно изменять контраст изображения в оптико-электронном канале, предназначенном для впечатывания маски. В этом случае выражение (16) может быть записано в виде:
ОЭК
где γ - коэффициент контрастности оптико-электронного канала.
Из анализа выражения (17) можно сделать вывод, что при использовании предлагаемого способа фотосъемки можно добиться требуемого коэффициента маскирования, а следовательно, требуемой степени сжатия динамического диапазона входного оптического сигнала, путем выбора контраста изображения маски и интенсивности равномерной засветки. При этом требуется априорный анализ сцены съемки с целью определения интервала яркостей.
Средняя экспозиция  при использовании предлагаемого способа может быть определена следующим образом:
ср
где τ - средний коэффициент пропускания маски.
Степень снижения (увеличения) средней экспозиции при использовании предлагаемого способа может быть определена из выражения:
ср
где Н - средняя экспозиция на поверхности светочувствительного материала при прямом экспонировании, без применения предлагаемого способа.
Из выражения (19) видно, что энергетические потери будут отсутствовать при выполнении условия:
откуда
Таким образом, при использовании предлагаемого комбинированного способа фотосъемки осуществляется пространственная фильтрация изображения непосредственно в оптическом канале, что позволяет избежать потери информации, связанные с несоответствием динамического диапазона входного сигнала динамическому диапазону регистратора изображения. При этом для реализации аддитивного и мультипликативного методов пространственной фильтрации используется общая фильтр-маска, что значительно упрощает практическую реализацию способа. Одновременное взаимосвязанное использование нерезкого маскирования и двойного экспонирования позволяет оптимизировать параметры процесса, снизив потери от смаза изображения, которые были вероятны при использовании нерезкого маскирования из-за необходимости использования длинных выдержек. Кроме того, оптимизация параметров процесса позволяет значительно снизить уровень внешней засветки изображений малоконтрастных объектов.
Способ фотосъемки и работа устройства для его осуществления поясняются чертежами, представленными на фиг.1-3.
t
t
i
На фиг.1 показана характеристическая кривая фотохромного материала, где D - оптическая плотность почернения фотохромного материала; D - оптическая плотность почернения фотохромного материала, соответствующая некоторой экспозиции Н, Н - экспозиция, Н - экспозиция, соответствующая точке инерции характеристической кривой фотохромного материала.
M
На фиг.2 показаны чертежи, иллюстрирующие работу предлагаемого способа, где L - яркость объектов съемки; х - координата в плоскости расположения объектов съемки; х' - координата в плоскости маски, соответствующая координате х; х” - координата в плоскости светочувствительного материала, соответствующая координатам х и х'; τ - коэффициент пропускания маски; H" - экспозиция на поверхности светочувствительного материала.
На фиг.3 показан чертеж, поясняющий конструкцию устройства, реализующего предлагаемый способ фотосъемки, где 1 - объектив фотоаппарата; 2 - светочувствительный материал; 3 - оптико-электронный канал; 4 - плоский элемент для построения маски (фотохромный материал); 5 - светофильтр или прозрачный электронный затвор; 6 - дихроическое зеркало; 7 - объектив оптико-электронного канала; 8 - преобразователь спектра оптического излучения; 9 - проекционный объектив; 10 - источник излучения.
Устройство для реализации предлагаемого способа фотосъемки включает два канала - оптический и оптико-электронный. Оптический канал представляет собой традиционный фотоаппарат, состоящий из объектива 1, в картинной плоскости которого установлен светочувствительный материал 2. Механизм диафрагмы, затворы, а также другие второстепенные устройства, как оптического канала, так и оптико-электронного, на схеме не показаны. Параллельно поверхности светочувствительного материала 2 и в непосредственной близи от него установлен плоский элемент для построения маски 3. Между элементом 3 и светочувствительным материалом 2 установлен светофильтр или прозрачный электронный затвор 5. В ходе лучей, под углом к главной оптической оси оптического канала, между объективом 1 и плоским элементом для построения маски 4 размещено дихроическое зеркало 6. Рядом с оптическим каналом расположен оптико-электронный канал 3. Главная оптическая ось объектива оптико-электронного канала 7 и объектива 1 параллельны друг другу, а углы поля зрения обоих каналов совпадают. В картинной плоскости объектива оптико-электронного канала 7 расположена чувствительная площадка преобразователя спектра оптического излучения 8, экран которого через проекционный объектив 9 и дихроическое зеркало 6 оптически сопряжен со светочувствительным материалом 2. Кроме того, в оптическую схему введен источник излучения 10, направленный на прозрачный элемент 4 и создающий на нем равномерную освещенность в области спектральной чувствительности светочувствительного материала.
Работа устройства, реализующего предлагаемый способ, заключается в следующем. Элементы конструкции устанавливают и юстируют так, что бы изображение, формируемое оптическим каналом в плоскости светочувствительного материала, пространственно совпадало с изображением, формируемым оптико-электронным каналом 3. В начальный момент времени затвор объектива оптического канала - закрыт. С помощью оптико-электронного канала 3, оснащенного механическим или электронным затвором, осуществляют экспонирование прозрачного элемента 4. В случае использования фотохромного материала экспонирование осуществляют ультрафиолетовым излучением. Фотохромные материалы характеризуются высокой чувствительностью к ультрафиолетовому излучению, в то время как изменение их коэффициента пропускания наблюдается в видимой области спектра оптического излучения. В результате экспонирования на прозрачном материале 4 формируется негативная маска (аналогично негативу, получаемому на традиционных фотоматериалах). Светофильтр, или электронный затвор 5, предназначен для предотвращения засветки светочувствительного материала 2 во время построения маски. После этого оптико-электронный канал 3 отключают и, в произвольной последовательности, через построенную маску светочувствительный материал 2 экспонируют изображением фотографируемого объекта, формируемым объективом 1 и излучением от источника 10, направленного на прозрачный элемент и создающего на нем равномерную освещенность в области спектральной чувствительности светочувствительного материала.
Для уменьшения энергетических потерь дихроическое зеркало 6 должно иметь максимальный коэффициент пропускания в области спектральной чувствительности светочувствительного материала 2 и максимальный коэффициент пропускания в области спектральной чувствительности материала для построения маски (Бабенко B.C. Оптика телевизионных систем. - М.: Радио и связь, 1982, стр.154-155).
Фотохромный материал характеризуется относительно высокой чувствительностью к окрашиванию и низкой чувствительностью к обесцвечиванию. При высоком темпе съемки (например, в аэрофотоаппаратах) фотохромный материал может не успеть обесцветиться за временной промежуток между кадрами. Для ускорения данного процесса может использоваться термическое обесцвечивание. Для практической реализации ускоренного обесцвечивания в качестве источника излучения 10 желательно использование источника инфракрасного излучения. В этом случае, источник излучения 10 используют как для экспонирования светочувствительного материала, так и для облучения маски в промежуток времени между кадрами. В этом случае, для предотвращения засветки светочувствительного материала используют прозрачный электронный затвор 5.
Использование предлагаемого способа позволяет повысить качество результирующего изображения при съемке в условиях большого диапазона яркостей объекта фотографирования. Наибольший эффект от применения предлагаемого способа следует ожидать при проведении аэрофотосъемки.