A FOTOGRÁFIA MÉRHETŐ ÉS LÁTHATÓ PARAMÉTEREINEK KAPCSOLATA – HARMADIK RÉSZ

Az eddigiekből talán már kiderült, hogy lényeges eltérések vannak az elvileg is bináris detektorokra épülő, ezüstalapú fotográfiai folyamat és az analóg detektorokra alapozott, bináris technológiai lépésekre épülő fotográfiai folyamat egyes fázisainak együttműködése és a végső, publikálható eredmény kialakítása területén.(1)

A leglényegesebb különbség az, hogy a látható képhez vezető lépésekben a „digitális” fotónak nevezett, a numerikus manipuláció lehetőségeit alkalmazó fotó esetén lehetőség nyílik még az optikai, felvételi tulajdonságok visszamenőleges változtatására is.(2) Ezzel szemben a klasszikus folyamatokban tulajdonképpen csak a fényérzékeny hordozóra eső foton-áram lokális manipulálására nyílik lehetőség, vagy esetleg kémiai úton az adott lépésre korlátozódó effektusokat lehet elérni.

Az optikai felbontóképesség

Kétségtelen, hogy mindkét esetben a kiindulási alapot egy, célszerűen kialakított optikai rendszer szolgáltatja. Könnyű tehát arra a következtetésre jutni, hogy az adott leképezési rendszer tulajdonságai meghatározó jelentőségűek a látható végeredmény megítélése szempontjából. Az optikai tulajdonságok tulajdonképpen a „fény” és egy görbült felületekből álló anyagi rendszer (az objektív) együttműködése, kölcsönhatása következtében manifesztálódnak. Következésképpen a dolgok analízise nem vezethető vissza a komponensek és funkcióik egymástól független vizsgálatára.

Első lépésként talán azt kellene tisztázni, hogy mi is a fény. A dolgokat egyáltalán nem egyszerűsítve azt lehet mondani, hogy a fény tulajdonképpen egyenes vagy görbe vonal, illetve periodikus hullámjelenség, vagy esetleg kicsinyke részecs-kék(3) együttes áramlása. Kicsit mélyebbre hatolva, azt lehetne még ehhez hozzátenni, hogy a fény mindhárom, az előzőekben megnevezett jelenség, de igazából egyik sem.

A geometriai optika(4) meghatározott geometriai tulajdonságokkal rendelkező vonalakkal dolgozik. Ennek a leírási módnak a végzetes hibája, hogy csak áttételesen tudja a színeket reprezentálni.(5) Ehhez egy új leírási mód, a hullámoptika kifejlesztésére volt szükség. Mindenki hallott már a kromatikus aberrációról, ami csak ebben a megközelítésben kezelhető teljes mélységében. Végül a fotonok, mint fényleírási modell, a fény és a receptorok kölcsönhatásának vizsgálatánál kapnak döntő jelentőséget. Ez a dinamika szolgáltatja a kiindulási jeleket, amelyeket tárolva és további lépésekben manipulálva végül egy látható képhez vezetnek.

A konklúzió nyilvánvaló. Az emberi intellektus képtelen az adott jelenségkört egyetlen, ekvivalens modellel leírni. Ezért olyan segédeszközöket kellett kifejleszteni, amelyek adott körülmények és adott feltételek teljesülése esetén segítik a kívánt cél elérését.

A már említett hullámoptikának van egy, a vizsgált területen meghatározó jelentőségű következménye, az ún. diffrakciós határ. A dolog lényege az, hogy még ideális geometriai korrekciós állapot esetén (ami természetesen fikció) az optikai rendszerek a fény hullámszerű tulajdonságai miatt egy fénykibocsátó pontot nem képesek egyetlen pontba leképezni. Elkerülhetetlen, hogy egy adott fénykibocsátó pont képe ne egy kiterjedt, elmosódott folt legyen.

A dolog pikantériája az, hogy ez a határ egyre nagyobb felbontóképességet enged meg a nagyobb átmerőjű diafragmák(6) esetén. Közismert azonban az a tény, hogy a nagyobb átmérőjű blendék esetén viszont a korrekciós tulajdonságok romlanak jelentősen.

Ezért a kialakuló tényleges határ (még sok egyéb paraméter függvényeként) lényegesen alacsonyabb, mint a diffrakciós limit. A lényeges paraméterek felmérése igen nagyszámú, általában többdimenziós függvényekkel és nagyszámú számadat meghatározását teszi szükségessé. Az sem váratlan, hogy adott helyzetekben – a kényszerű kompromisszumok miatt – az eredmények nem éppen látványosak. Nem csoda, hogy a nyilvánosan hozzáférhető technikai tesztek csak egy-két görbét tartalmaznak.

Az input az optika, az output egy numerikus produktum

Az előző cikkekben már szó esett arról, hogy alapvető különbség van a látható képhez vezető lépések dinamikájában az ezüstalapú és a bináris technológiákra alapozott fényképezés esetében. Az ezüstalapú folyamatban tulajdonképpen egy stabil fizikokémiai rendszer befolyásolható az adott receptorokra eső fényáramlat változtatásával. A generált eredmény csak a lokális változásokra reagál.

Ezzel szemben a bináris alapú fényképezésben numerikus lehetőségek vannak a teljes átviteli rendszer tulajdonságainak a vezérlésére is. Így például lehetőség van a felvételi perspektíva változtatására a nyomtatás előtt, lehetséges az aberrációk utólagos korrekciója stb.(7)

További tény az is, hogy a primer adathalmaz, amit az optika és a detektorrendszer együttesen produkál, teljesen alkalmatlan a vizuális vizsgálat céljaira. A látható kép tulajdonképpen három, lényeges, alapvetően eltérő struktúrájú adathalmaz alapján jön létre. Ezek egyike a numerikus rendszert vezérlő operációs rendszer által megkívánt, sztenderdizált adathalmaz, ami az aktív memóriában foglal helyet és ott manipulálható.

A második lényeges adatfolyam a videó egységet vezérlő elektronikus/elektromos adathalmaz és jelfolyamat. Míg a harmadik a nyomtatót, vetítőrendszert vezérlő adathalmaz és jelsorozat.(8) Ebben a részben csak az a lépés kerül vizsgálat alá, hogy hogyan keletkezik a kiindulási pontként szolgáló jelhalmaz.

Fizikai tény, hogy a fényérzékelő detektorok hiányos adatokat szolgáltatnak. Hogyan lehetséges tehát a hiányzó adatok meghatározása? A Bayer-rendszerű detektorok nem egyenlő számú, az alapszínekre érzékeny receptorokkal rendelkeznek. A hiányzó adatok numerikus generálása – a demosaicing – úgynevezett interpolációs lépések megtételét teszi szükségessé. Következésképpen már a kiindulási pont is számított, azaz nem mért értékeket tartalmaz.(9)

Ezen túlmenően a detektáló rendszer a megvilágítás alkalmával egy igen jelentős zajtartalommal terhelt kiindulási jelsorozatot állít elő.(10) Ezt a zajtartalmat a primer feldolgozási lépés különböző, a gyártó cégekre jellemző, zajcsökkentő lépésekben választja le. Van itt egy igen lényeges pont. Ez tulajdonképpen a véletlenszerű komponenseket tartalmazó jelek feldolgozásnak az alapvető problémája. Hogyan lehet szétválasztani a detektor zajt és a jelentőséggel bíró zajtartalmat? Egy példa: egy távoli, gyorsan változó terület, például füves részlet, egyenetlen bőrfelület stb. statisztikus fényerő- és színeloszlást produkál. Adott leképezési méretben ez beleeshet a numerikusan kiölt zajeloszlási tartományba.

Hardver hatások, például blooming

Az egyik jellegzetes jelenség a vizsgált területen az éles, nagy megvilágításkülönbségeket felmutató kontúrok hibás visszaadása. Az ilyen kontúrok rendszerint több, eltérő színeket felmutató vonalrendszerként jelennek meg. Az előidéző okokat kutatva néhány jellegzetes tényező azonosítható.

Ezek egyike numerikus eredetű. E meredek ugrások interpolálása, illetve a JPEG kompresszió könnyen vezethet az ún. „edge halo” jelenséghez.(11)

Másik jelentős tényező lehet az elemi receptorok túltelítődése. Az ilyen receptorok a túlzott töltés miatt befolyást gyakorolnak a környező, alacsony elektrontartalmú receptorokra (blooming). Ez a dinamika szintén a kontúrok torzulásához vezet.

Végül az optikai tulajdonságok, a nem teljes korrekció (pl. a kromatikus aberráció) szintén az ebbe az irányba ható tényezők egyike lehet.

A következtetés természetes. A végeredmény nem csak az optikai tulajdonságokra vezethető vissza. Az adott jelenség a jelátviteli teljes rendszer komponenseinek bonyolult kölcsönhatása következtében áll elő.

Az MTF

A fotográfiai képminőség megítélése szerteágazó dolog. Nem utolsósorban azért, mert a „minőség” megítélési kritériumai függenek a fotografikus kép által szuggerált egyéb tartalmaktól. Következésképpen nincs mód egy globális, objektív megítélési rendszer definiálására.(12)

Kiutat jelenthet a tudományosság látszatának keltése. Különösen akkor, ha a felvevő oldal nem rendelkezhet a megfelelő háttér ismeretanyaggal. Felbontóképesség? Évtizedes fogalom! Tehát MTF!(13) Ez jól hangzik. Így ezután közlésre kerülnek görbék, grafikonok, kijelentések(14), amelyek a tudományosság benyomását keltik, viszont vajmi kevés közük van a tudományhoz.

Meg kell jegyezni, hogy az MTF a maga helyén – a jelátvitel matematikai, tudományos analízisének területén – egy előnyösen használható definíció. Ennek következtében a bináris technológiára alapozott fényképezés fejlődési folyamatában is jelentős tényező.(15) Mint ilyen, egy egzaktnak mondható fogalom a megfelelő, sokszor bonyolult definíciókkal és következményekkel. (Ezek összefoglalása – az erősebb idegzetűek számára – egy lábjegyzetben található.)(16) Ezen a szinten csak azt kell megjegyezni, hogy ez a szokásos módon nem ábrázolható, megszámlálhatatlanul sok egyedi függvényt tartalmazó összesség.

Az MTF tulajdonképpen egy általánosabb jelentőségű függvény, az ún. Optikai Átviteli (Transfer) Függvény (elfogadott jelölése: OTF) egyik összetevője. Abban az esetben, ha a leképezendő ábra világosságeloszlása egy speciális, trigonometrikus függvényt(17) követ, akkor – egyéb feltételek teljesülése esetén – az OTF csak az MTF-et tartalmazza. Ennek a helyzetnek a kialakítása azonban nehézkes, ezért a méréstechnikai nehézségek következtében, a leképezendő ábra általában négyszögletes világosságeloszlású vonalrendszert tartalmaz(18). Nocsak! A kellő önmérséklettel rendelkező források az eredményül kapott függvényt Kontraszt Átviteli Függvények nevezik (jelölése: CTF).(19)

A már említett méréstechnikai nehézségek miatt vannak egyéb definíciók is, amelyek nem vonalrendszer, hanem egyetlen ugrásszerűen változó világos-ságeloszlás mérési eredményeire támaszkodnak. (20)

Hangsúlyozni kell, hogy egzakt megközelítésben az MTF, reális optikai rendszer esetén, három paraméter függvénye és megszámlálhatatlanul sok elemi függvényt tartalmaz. Az egyik paraméter a képtérben a mérés alapjául szolgáló pont helyzete. A másik a leképezett vonalrendszer frekvenciája, míg a harmadik a vonalrendszer iránya. Az említett ugrásfüggvény esetében a paraméterek száma kettőre csökken, mert a frekvenciafüggést numerikusan származtatja az alkalmazott transzformáció. Mindkét esetben megszámlálhatatlanul sok elemi függvény ad tényleges választ az adott rendszer teljesítőképességéről. Következésképpen felmerül a kérdés, hogy mennyit árul el a tényleges viszonyokról néhány pont, vagy görbe publikálása?

További problémát jelent, hogy a tényleges felvételi körülmények között a mérések folyamán eredményül kapott adathalmaz mélyreható numerikus manipuláció eredménye. Ezen túlmenően hardver hatások is közrejátszanak a kialakuláshoz vezető folyamatokban. Így például egy elemi receptor terület fényérzékeny terület(ek)et és jelátviteli komponenseket tartalmaz. Ezek geometriai kialakítása és területi aránya(21) detektortól, gyártótól stb. függenek.(22) Következésképpen egy adott objektív két eltérő detektor előtt jelentősen eltérő eredményeket produkálhat.

Tovább bonyolítja a helyzetet, hogy a mérési eredmény, ha az egy tényleges detektorrendszer alapján kerül meghatározásra,(23) mélyreható numerikus manipulációk után kerülhet az analízis fázisába. A numerikus lépések – amint azt már említettük – számos, az optikai tulajdonságoktól független torzításhoz vezetnek(24).

A már említett hardver tényezők, amelyeknek semmi közük az optikai tulajdonságokhoz, további torzulásokhoz vezetnek.(25) Következésképpen a szokásos MTF-görbe prezentáció (néhány pont, egy-két görbe) inkább a marketing területére utalható, és nem a várható, a tényleges fotográfiai minőséget jellemző ismeretanyagnak kell tekinteni. Természetesen meg kell jegyezni, hogy nyilvánvaló korreláció tapasztalható az optikai minőség és az eredményül kapott fotográfiai minőség között. Ezt azonban két görbe vagy tíz állítólagosan mért adat vajmi kevéssé képes jellemezni.

Montvai Attila

Képaláírások:

1. ábra: Az általánosan használt Bayer-féle szűrőrendszer. Jól látható, hogy egy együttesben kétszer annyi zöld receptor van mint kék, illetve vörös. Nyilvánvalóan csak numerikus manipuláció után lehet a generált adathalmazt a szoftver által megkövetelt, sztenderdizált formára hozni.

2. ábra: A Bayer rendszer problémái miatt a Kodak néhány eltérő elrendezést használ(t). Ez tovább erősíti az egyedi, jelentős numerikus manipuláció szükségességét hangsúlyozó érv jelentőséget. Jogosnak látszik a kérdés az idézett cikkben közölt 4. ábra helyességét illetően.

3. ábra: Egy mérésekből levezetett MTF görbe. Itt számos, szinusz világosságeloszlású target mérési eredményeit közelítették numerikusan generál polinom segitségével. Az általánosan publikált eredményekkel szemben itt jól észrevehető mérési bizonytalanság van jelen. (A függőleges tengelyen a normalizált érték, a vízszintes tengelyen a térbeli frekvencia értékei láthatók.)

4. ábra: Az ideálisnak tekinthető, geometriai aberrációktól mentes optikai rendszer által, a fényszóródás következtében kialakult kép világosságeloszlása. Megjegyzendő, hogy egy fényforrás pontszerű méretekkel kell, hogy rendelkezzen, a fény egyetlen hullámhosszat tartalmazhat, a fényáteresztő nyílás kerek kell, hogy legyen, és még egyéb, matematikai feltételeknek kell teljesülniük (Frauhenhofer diffrakció)

5. ábra: A Frauenhofer diffrakció szögletes blendenyílás esetén. Figyelmet érdemel a periférikus területek jellegzetességeinek eltérése

6. ábra: Más, a gyakorlati fényképezésben elforduló körülmények között, a fényszóródás eltérő tulajdonságokat mutat. Az ezt modellező számítás (Fresnel diffrakció) jól mutatja a minőségi eltéréseket

7. ábra: Ha a Fresnel modell paraméterei a Frauenhofer modell irányába változnak, akkor nyilvánvalóan az utóbbi modell tulajdonságaira emlékeztető változásoknak kell fellépnie. A számítógépes modellezés eredményeit összefoglalva látható, hogy a) még az ideális, geometriai hibáktól menetes esetben is a leképezés élessége behatárolt. b) Miután az MTF szoros, transzformációs kapcsolatban van a kapott fényességeloszlás tulajdonságaival, az MTF két görbére való lészűkítése, illetve minta kontraszt arányok reprezentálása több mint megengedhető szimplifikálás

Jegyzetek:

(1) Az emulzióban helyet foglaló ezüst halogenid kristályok csak két lehetséges kimeneti állapottal rendelkeznek. A két lehetőség, hogy fémezüst szemcsévé, illetve színezék szemcsévé alakulnak, vagy kioldódnak a hordozóból. Ezzel szemben az ún. „digitális” fotográfia fényreceptorai analóg jelet szolgáltatnak, amelyek egy későbbi lépés folyamán transzformálódnak bináris ábrázolásban tárolt értékekké.

(2) Ismeretes, hogy például a bemozdulásos életlenség bizonyos határok között korrigálható ún. dekonvolúciós lépésekkel.

(3) Fotonok.

(4) A geometriai optika a lencsekorrekciós aktivitás, a lencsetervezés egyik igen fontos eszköze.

(5) A törésmutató bevezetésével a vonalak geometriája változtatható. A törésmutató viszont a hullámhossz, azaz a szín függvénye.

(6) Azaz kisebb blende szám.

(7) A numerikus lehetőségek képességeit a következő cikkben vizsgáljuk. Sajnos megállapítható, hogy ezen a téren az általános ismeretszint rendkívül alacsony.

(8) A színreprezentáció és a színgenerálás rendszerenkénti eltérései jelentik a színkezelés alapvető problémáit.

(9) Közismert, hogy az interpolációs technikák sokféle, mesterségesen generált effektust vezethetnek be. Ilyen pl. az ún. „edge halo”.

(10) Kvantum hatásfok, elektronzaj stb.

(11) Lásd http://www.cambridgeincolour.com/tutorials/image-interpolation.htm

(12) Azaz szabad terület a sarlatánizmus számára.

(13) MTF – Modulation Transfer Function, azaz „Moduláció Átviteli Függvény”.

(14) Sokszor nevetséges félre interpretálások vagy gyerekes félreértések.

(15) A marketing természetesen ezen a területen kívül esik.

(16) Az MTF tulajdonképpen a pontszerű fényforrásnak az optikai rendszer által létrehozott, kiterjedt kép világosságeloszlásénak Fourier transzformáltja. Több, adott feltétel teljesülése esetén ekvivalens eredményre vezető definíció ismeretes. Így például az optikai átviteli függvény, ami egy komplex változós függvény, reális része tulajdonképpen az MTF. Ezért a – csak bizonyos megszorító feltételek teljesülése mellett helyes – azt leképezendő tárgy és a kép kontraszt arányaira való visszavezetés tulajdonképpen egy kérdéses szimplifikáció.

(17) Szinuszos világosságeloszlás.

(18) Mi a baj a régies felbontási vonalrendszerrel?

(19) Ellentétben a Fotóművészet előző számában megjelent DigiTREND, 10. rész cikkben elmondottakkal. Azonban a cikkben elhangzik egy minden tekintetben védhető javaslat is, miszerint az MTF-et átviteli függvények kellene nevezni. Ennek megfelelően az 1. ábra az MTF-átviteli görbét mutatja be, azaz a Moduláció Átviteli Függvény átviteli görbét látjuk. Bár a rajzolt görbe alakja alapvetően kétséges, az aláírás szinte tökéletes.

(20) Ebben a megközelítésben az MTF az ún. diszkrét Fourier transzformáltja az Edge Spread Function mért értékeinek.

(21) Ez az ún. Fill Factor.

(22) Többek között ezért is érthetetlen a már említett cikk 4. ábrája. Semmiféle utalás nincs ebben pl. a színérzékeny receptorok elrendezésére, a Fill Faktorra, illetve az adott helyzetben alkalmazott térbeli frekvenciára és leképezési arányra. Ezek nélkül az adott ábra információ tartalma rendkívül alacsony.

(23) Amint azt az idézett cikk 4. ábrája sugallja.

(24) Edge halo, aliasing, lágyítás, határok erősítése, stb.

(25) Blooming, receptorok egymás közötti véletlenszerű, elektromos kapcsolatok stb.