Гигапиксель

Участники проекта Gigapxl создали камеру, способную делать снимки с разрешением порядка 4 тысяч мегапикселов. Александр Филонов разбирается, как это было сделано.

Появившийся в ноябре прошлого года сайт gigapxl.org уже через четыре дня после открытия встретил своего стотысячного посетителя. Для сайта, который его создатели даже не пытались раскручивать, результат невероятный и может быть объяснен только уникальностью опубликованной информации. И действительно: участники проекта Gigapxl рассказывали о том, как они создали камеру, способную делать снимки с разрешением порядка 4 тысяч мегапикселов (88000х44000)! И не только рассказывать, но и показывать - в приемлемом для веба разрешении были выложены картинки с потрясающей детализацией. Мы попросили разобраться с происходящим нашего внестатского советника по вопросам экспонирования и прочей выдержки Александра Филонова. - В.Г.

Первое любопытное наблюдение: до возникновения цифровой фотографии подобный проект возникнуть просто не мог! И это несмотря на то, что он, по сути, является чисто аналоговым - не считая последнего этапа оцифровки негатива, но можно было обойтись и без него. Из-за ограниченного объема статьи вдаваться в подробности аналоговой версии не буду, а отошлю любопытствующих к журналу "Советское фото" то ли за 1933, то ли 1934 год, где описывалось "грандиознейшее достижение пролетарской фотографии" в виде портретов двух вождей (угадайте, каких именно) высотой по 18 метров, установленных на площади Дзержинского к 7 Ноября. История достижения любопытна сама по себе (цитата: "О трудностях работы говорит хотя бы то, что за неделю в помещении объемом 27 куб. м испарилось 18 (!) ведер спирта-ректификата"), здесь же уместно упомянуть лишь о том, что перед исполнителями и того, давнего, и нынешнего проектов стояли сходные задачи, но решались они разными способами.

Так в чем же принципиальная новизна проекта Gigapxl? Прежде всего - в новом отношении к природе изображения, возникшем именно благодаря цифровому фото.

С быстрым распространением цифровых камер радикально изменилось и восприятие нами фотографии как технической дисциплины. К примеру, если раньше снимок оценивали по зернистости и резкости, то теперь куда популярнее количество пикселов и линеатура. Вот цитата с сайта: "… те из нас, кто посвятили большую часть жизни пленочной фотографии, упорно задавались вопросом, выживет ли такая фотография; а если выживет, то какую будет играть роль? Обсуждая этот вопрос в конце 2000 года, мы предположили, что цифровые камеры с 10-мегапиксельным разрешением в ближайшие пару лет станут нормой. Они встанут на одну доску с 35-миллиметровыми пленочными камерами, а то и полностью вытеснят пленочную технологию лет за десять. С другой стороны, сомнительно, чтобы в обозримое время появились камеры разрешением намного более 10 Мпикс, а уж тем более - 100 Мпикс. Так что, полагаем, конкурентов у крупноформатной пленочной фотографии еще какое-то время не будет". Именно поэтому и было решено сосредоточить усилия на крупноформатной фотографии сверхвысокого разрешения. Тут и возникает любопытное обстоятельство: традиционная фотопечать такую задачу решить неспособна, а вот использование сканеров и принтеров позволит достичь качества в 1000 Мпикс - отсюда и именование проекта (правда, в последнее время его дотянули до 4 Гпикс). Чтобы получить аналогичное количество информации, зритель должен озирать пейзаж шириной 90 угловых градусов при помощи 12-кратного бинокля. В случае же с отпечатком зритель, опять-таки, может воспользоваться биноклем, но может и просто понемногу приближаться, разглядывая все больше деталей на все меньшей площади.

Все это, конечно, хорошо, но зачем? Прежде всего, для запечатления объектов недолговечных - например, участков археологических раскопок, природных ландшафтов и архитектурных сооружений, которым грозит исчезновение. Чем больше деталей будет на снимках, тем лучше. Строго говоря, похожие же цели ставят и военные при проведении разведки, и картографы при аэрофотосъемке, так что программа стартовала не на голом месте. Об этом чуть ниже, а сейчас немного теории.
В силу специфики зрительного восприятия, чтобы 1-мегапиксельный снимок выглядел предельно детальным, его площадь должна составлять около 50 кв. см (формат 6х9 см); при большем формате начнется пикселизация изображения - проявление составляющих его элементов. Трехмегапиксельное фото выглядит не хуже уже при формате 10х15 см(Напоминаю, речь идет о предельно четком отпечатке; для семейного фото приемлемым будет и формат 18х24 см), но все равно на каждый его мегапиксел придется по 50 кв. см. При печати с пленки типа 135 (то есть шириной 35 мм) можно без ущерба для четкости увеличить снимок до формата 20х30 см (600 кв. см); следовательно, разрешение пленки аналогично 12 Мпикс. Значит, площадь гигапиксельного отпечатка должна составить около 50 кв. м. Вообще говоря, подобные отпечатки не в диковинку, щитовой рекламой пестрят все крупные города, однако их дефекты видны уже с расстояния в несколько метров, а авторам хотелось, чтобы все детали отлично просматривались на любом расстоянии от отпечатка - именно поэтому на конечном этапе было отдано предпочтение не фотопечати (на рынке просто нет проекционных объективов, обеспечивающих нужную резкость), а оцифровке и цифровой печати снимка (Есть и другой путь решения проблемы, который нашли пролетарские фотографы путем испарения спирта, но он гораздо более трудоемок и связан с дальнейшей потерей качества).

Чтобы понять проблемы, с которыми столкнулись участники проекта Gigapxl, следует рассмотреть и причины деградации изображения (под деградацией мы понимаем снижение контрастности и резкости). Обычное зрительное восприятие происходит в три этапа: а) отраженный от объекта съемки свет доходит до глаза; б) преломляется хрусталиком (уподобим его объективу; на факт наличия или отсутствия очков мы, простите за каламбур, глаза закроем); и наконец, в) возбуждает палочки и колбочки сетчатки (уподобим их пленке или сканеру). Разумеется, некоторая деградация происходит на каждом этапе. В частности, при прохождении световых лучей через атмосферу информация теряется из-за атмосферных возмущений (ветер, восходящие потоки от нагретых предметов), взвесей (туман, пыль) и самих газов (так, кислород поглощает свет прежде всего в красном диапазоне и потому придает изображению голубой оттенок - главная причина так называемой воздушной перспективы в противовес прозрачной перспективе вакуума); далее следуют дефекты "оптики" (например, катаракта); сетчатка тоже далеко не идеальна, о чем свидетельствует, с одной стороны, мужской дальтонизм, а с другой - женский тетрахроматизм. Процесс же съемки распадается на еще большее число этапов: добавляется преобразование негатива в цифровое изображение и перенос цифры на некий носитель (в последнем случае деградация маловероятна, и ею можно пренебречь). Конечно, деградация в объективе объясняется не какими-нибудь катарактами, а сугубо физическими причинами - сферической и хроматической аберрацией, переотражениями (рефлексами) и светорассеянием внутри объектива.

Для оценки степени деградации вводится частотно-контрастная характеристика (ЧКХ; modulation transfer function), которая в оптическом процессе представляет собой функцию деградации изображения при передаче, то есть утрату оригинальной информации (снижение контурной резкости, потерю контрастности) и определяется отношением контрастности результата к контрастности оригинала. Для этого используются разного рода мирры - но не классические, черно-белые, а специальные полоски, насыщенность цвета которых меняется синусоидально (естественно, с изменяющейся пространственной частотой). В первую очередь этот подход удобен тем, что результирующий коэффициент ЧКХ вычисляется всего-навсего как произведение промежуточных. Более того, тот же метод можно приложить к любому оптическому процессу. Собственно говоря, в проекте стояла задача так подобрать значения ЧКХ на каждом этапе, чтобы результат обеспечивал нужное качество. Опуская технические подробности, отметим, что для работы были выбраны сканеры с разрешением 100 пикс/мм (10 тысяч пикселов на кв. мм - то есть целевое разрешение достигается при площади снимка около 100 тысяч кв. мм). Ближе всего к этому числу подходит формат снимка 9х18 дюймов (104500 кв. мм). И тут разработчикам не пришлось ломать копья попусту - они взяли фотоаппарат для аэрофотосъемки К-38, в котором пленка длиной 150 футов уложена в кассету, обеспечивающую быструю перемотку. Понятно, что пользоваться ею гораздо удобнее, нежели вручную менять кассеты с листовой пленкой, - в частности, становится довольно легко делать экспозиционную вилку, что немаловажно при ландшафтной съемке, особенно на закате и рассвете, когда значительные перепады яркости заметно осложняют определение идеальной экспозиции. Еще один плюс конструкции заключается в наличии у кассеты черной задвижной шторки, сильно упрощающей и ускоряющей смену кассет в полевых условиях (например, если надо взять пленку другого типа). Правда, удержать такую широкую пленку в фокальной плоскости довольно трудно, однако эта проблема была решена заранее: крохотные отверстия в подложке удерживают пленку в нужной позиции за счет вакуума. Перед перемоткой вакуум "отключается", пленка протягивается, а затем снова присасывается к подложке. Авторы проекта выбрали пленки производства Kodak и Agfa, предназначенные для аэрофотосъемки на средних и малых высотах, по характеристикам довольно близкие к обычным пленкам для пейзажной съемки.

А вот с объективами оказалось потруднее: хотя в настоящее время на рынке имеется ряд сверхширокоугольных объективов с нужным фокусным расстоянием и полем зрения, их разрешение не удовлетворяло требованиям проекта, особенно на периферии поля кадра. Пришлось Полу Вайссману, одному из участников Gigapxl, конструировать оригинальный объектив, нареченный Asymmagon, - с фокусным расстоянием 215 мм и диафрагмой f/22, который обеспечивает разрешение 30 мм^–1 в круге диаметром более 500 мм. Этот восьмиэлементный объектив, на разработку которого ушел не один месяц компьютерного моделирования, любопытен тем, что благодаря остроумной конструкции практически избавлен от хроматических аберраций.

Разумеется, сфокусировать такую махину не так-то просто, поэтому для фокусировки взяли лазерный прицел для гольфа, а наводка на резкость и изменение наклона объектива осуществляется вручную. Собственно, не считая доработок штатива, призванного обеспечить устойчивость массивной камеры, на этом аналоговая часть проекта заканчивается.

Что же "несет urbi et orbi" этот проект, помимо официально продекларированной цели - запечатления ландшафтов, которые могут быть в ближайшее время безвозвратно утрачены?

Прежде всего, хочу уподобить его фундаментальным исследованиям в науке. На первый взгляд они кажутся совершенно бесполезными. Но если вспомнить - точно так же воспринимали в начале ХХ века исследования атома. Кто мог тогда предвидеть многомиллионные обороты атомной энергетики (о рисках разумнее умолчать, поскольку как раз в фотографии их нет ни на йоту)? Таких примеров сотни; не в них суть.

Итак, по поводу потенциальных практических выгод от проекта Gigapxl, не считая очевидных. Во-первых, уже сейчас разработанные его участниками объективы могут оказать влияние на разработку "более пользовательских", массовых объективов. Во-вторых, с развитием технологий проект может перерасти в чисто цифровой - ведь насколько рациональнее было бы исключить из процесса этап сканирования! Конечно, создание матрицы размером 9х12 дюймов - задача нетривиальная, но это технологическая преграда, преодоление которой - лишь вопрос времени. Более того, поскольку форма матрицы может быть произвольной, ее можно подогнать к сфере так, чтобы полностью компенсировать кому и сферические аберрации (к сожалению, от хроматических аберраций таким образом не избавишься) при упрощении конструкции объектива. А заодно мы снизим ЧКХ, избавившись от лишнего этапа, и тем самым повысим итоговое качество.

И это лишь часть смежных последствий проекта. Дотошный читатель, покопавшись, найдет и другие. Посему, несмотря на наличие некоторых минусов, просто-таки вынужден приветствовать Gigapxl обеими руками, ведь он продвигает технику еще на шаг вперед. А уж если учесть, что этот неподъемный груз несут всего-навсего три энтузиаста, остается лишь подивиться их трудолюбию и увлеченности - и поздравить их с серьезными достижениями там, где, казалось бы, ничего нового и быть не может.  

- Из журнала "Компьютерра"