W 1975 r. nastąpił przełom w technice fotografii. Steve Sasson zaprojektował dla firmy Kodak prototyp cyfrowego aparatu[1]. Generował on czarno-białe obrazy o rozdzielczości 0.01Mp. Taśma magnetofonowa pozwalała na zapis 30 zdjęć, przy czym trzeba pamiętać, że czas zapisu jednego zdjęcia wynosił 23 sekundy.[2] W 1981 r. na Photokinie Sony zaprezentowało pierwszy osobisty aparat cyfrowy Mavica[3]. Kolejne koncerny zaczęły wypuszczać na rynek nowe modele aparatów.

W latach osiemdziesiątych fotoreporterzy, dla których czas przekazania zdjęcia do redakcji ma kluczowe znaczenie, zaczęli doceniać sprzęt elektroniczny. Canon RC-701[4] posłużył miedzy innymi do wykonania reportażu z igrzysk olimpijskich w Los Angeles.[5] Na Photokinie w 1990 r. Kodak zaprezentował pierwszą lustrzankę cyfrową DSC-100[6], która była zbudowana w oparciu o analogowego Nikona F3. Aparat ten miał rozdzielczość 1,3Mp i był wyposażony we wbudowaną pamięć o pojemności 200MB. W 1994 r. została opracowana cyfrowa ścianka NC2000[7] do Nikona F90.

Rozwój technologii cyfrowej sprawił, że w ciągu kilku lat popularność aparatów cyfrowych znacznie przewyższyła popyt na kamery analogowe. Jakość obrazka uzyskiwanego na matrycy przestał odbiegać od zdjęć na kliszy. Co więcej, obniżenie kosztów materiałów i możliwość natychmiastowego podglądu fotografii były niewątpliwymi atutami digitalizacji.

Obecnie aparaty tradycyjne wciąż przewyższają cyfrowe niezawodnością i odpornością na warunki klimatyczne. Część z nich działa bez żadnego źródła zasilania.[8]

1.1.1.      ROZDZIELCZOŚĆ

Zdolność oddzielnego reprodukowania gęsto ułożonych linii jasnych na przemian z ciemnymi nazywa się rozdzielczością materiału światłoczułego. Podaje się ją zwykle w postaci największej liczby linii na długości 1mm (czyli największej częstotliwości przestrzennej linii), które można odróżnić i policzyć w obserwacji mikroskopowej. Bierze się przy tym pod uwagę jedynie linie ciemne.[9] Należy jednak pamiętać, że rozdzielczość nie jest wartością stałą dla konkretnego materiału. Wpływa na nią kilka czynników: skład spektralny światła, którym dokonano naświetlenia, kontrast linii i tła oraz warunki wywołania. Dla ustalonych warunków określa się zdolność rozdzielczą R. Za jej miarę przyjmuje się maksymalną rozdzielczość, pamiętając jednocześnie,  że jej wartość zależy od logarytmu ekspozycji (log H). Pomiaru rozdzielczości materiałów światłoczułych dokonuje się poprzez stykowe kopiowanie lub fotografowanie rezolwometrem w znacznym powiększeniu specjalnej siatki.[10]

Aby dokładniej opisać rozdzielczość, wskazując na jej zależność od kontrastu wprowadzono pojęcie funkcji przenoszenia modulacji (MTF).

 

Rys. Wykres funkcji MTF. Rysunek pochodzi z książki: Iliński M., Materiały i procesy fotograficzne, Warszawa 1989, s.120.

 

Początkowy wzrost krzywej wynika ze zwiększania się kontrastu między liniami białymi i czarnymi, co tłumaczy zjawisko Ebernharda. Załamanie krzywej spowodowane jest rozpraszaniem światła. Część wykresu o niewielkim nachyleniu odpowiada znacznie mniejszemu rozproszeniu promieni.

 

 

Tabela 1: Rozdzielczość wybranych klisz fotograficznych.

Tradycyjne klisze fotograficzne mają rozdzielczość do 3000 dpi, co daje ok. 118 linii/mm[11]. Oznacza to, ze ziarno ma wielkość 8.47μm. Zatem można wyliczyć rozdzielczość filmu małoobrazkowego, dzieląc  jego wysokość i szerokość przez rozmiar ziarna. Otrzymany wynik: 4250 i 2952 punktów pozwala porównać kliszę małoobrazkową do matrycy 12,5 Mp.[12] Tymczasem klisza średniego formatu o tych samych parametrach będzie odpowiadała 41,5Mp. Solf podaje, że błona o czułość 20-40 ASA ma rozdzielczość 175linii/mm, natomiast klisza 100ASA 110linii/mm. Jednocześnie informuje, że wyższe wartości wykazują specjalne rodzaje emulsji fotograficznej, jak np. płyty Lippmanna, emulsje Goldberga i tzw. mikraty. Emulsje te ze względu na ich wyjątkowo niską światłoczułość, nie mają praktycznego znaczenia w normalnej fotografii.[13]

Rozdzielczość otrzymanego zdjęcia zależy nie tylko od rozdzielczości stosowanego materiału światłoczułego, ale również od aberracji i dyfrakcji obiektywu. Nie małą rolę odgrywają tu również parametry przysłony. Zgodnie kryterium Rayleigha:

1/R = 1/ro + 1/rf,

gdzie R- rozdzielczość sumaryczna, ro – rozdzielczość obiektywu, rf- rozdzielczość materiału światłoczułego.

Po przekształceniu można otrzymać wzór w postaci R = (ro*rf)/(ro+rf).[14]

Tabela 2: Rozdzielczość dla różnych wartości przysłony.

Rozdzielczość matrycy aparatów cyfrowych jest wyrażana w Megapikselach. Jest to iloczyn punktów, występujących na bokach matrycy:

R=w*h,

Gdzie: w- liczba pikseli na długości matrycy, h – liczba pikseli na jej wysokości.         Ponieważ generowane przez aparaty obrazy mają proporcję 2:3 lub 3:4, wzór na rozdzielczość przyjmuje postać:  R=2h²:3 lub R=3h²:4.

Rozdzielczość zalecana do wydruku fotografii to 300 dpi[15], czyli 300 punktów na 1cal. Wielkość odbitki, jaką można uzyskać przy tej rozdzielczości aparatem cyfrowym można obliczyć ze wzoru:

H= 2,54h:300,

gdzie H- wysokość odbitki [cm], h- ilość pikseli na wysokości matrycy.

 

Tabela 3: Zestawienie rozdzielczości aparatu z maksymalną wielkością odbitki o proporcjach 2:3 o rozdzielczości 300dpi.

Zdjęcie wzorca ISO 122333 wykonane obiektywem Canon 85/1.8[16] na filmie Ilford Delta 100[17] wywołanym w wywoływaczu Ilford Microphen[18] uzyskało rozdzielczość 2400linii.[19] Wynik ten w odniesieniu do fotografii cyfrowej trudno nazwać imponującym. Zwłaszcza, że bardzo dużo detali zostało „przykrytych” przez ziarno negatywu.[20]

Analogowy średni format przy zastosowaniu obiektywów wysokiej klasy[21] pozwala jednak na osiągnięcie rozdzielczości na poziomie 4000 linii na wysokość kadru. Bójko przekonuje, że dotychczas nie została ona osiągnięta przez żaden aparat cyfrowy (z wyjątkiem Leiki S2[22]).[23]Tymczasem istnieją aparaty o większej rozdzielczości. Przykładem może być choćby Hasselblad H4D-60 wyposażony w matrycę 60Mp[24]. W użyciu są także przystawki cyfrowe do innych aparatów średnioformatowych, które potrafią wygenerować obraz o znacznie większej rozdzielczości. Wśród nich wyliczyć można przystawkę Phase One P65+[25], która pozwala na uzyskanie rozdzielczości 60,5Mp lub Leaf Aptus-II 12R o rozdzielczości 80Mp[26]. Ewenementem pozostaje wciąż Seitz 6x17 Digital, który służy do fotografowania panoram o rozdzielczości 160Mp.[27]

1.1.2.      DYNAMIKA

Zakresem tonalnym (ang. Dynamic range, DR) nazywamy najwyższy kontrast dostępny w ramach danego obrazu[28]. Odczytuje się go z krzywej charakterystycznej (il. 2), wyznaczonej dla danego materiału przy pomocy densytometru.

Rys. Wykres krzywej charakterystycznej. Rysunek pochodzi ze strony: http://www.henry.vel.pl/kch.html

A - punkt dla którego naświetlenie nie wpływa w żadnym stopniu na zaczernienie materiału - widzimy, że każdy materiał posiada pewną minimalną gęstość optyczną D0 (zadymienie), nawet jeśli nie jest naświetlony

B - punkt w którym naświetlenie powoduje pojawienie się zróżnicowania w zaczernieniu (tzw. próg czułości)

C - początek użytecznego zakresu naświetleń (odpowiada mu minimalne zaczernienie, dla którego możemy już rozróżniać szczegóły w cieniach)

D - koniec użytecznego zakresu naświetleń (odpowiada mu maksymalne zaczernienie dla którego jeszcze możemy rozróżniać szczegóły w światłach)[29]

Dolne zagięcie krzywej nazywane jest zakresem niedoświetlenia emulsji. Poniżej znajduje się odcinek zadymienia, powyżej prostoliniowy odcinek użytecznego zakresu naświetlenia.[30] Wyższe wartości naświetlenia nie powodują zaczernienia emulsji. Jeśli w tej części wykresu krzywa dla danego materiału nie jest płaska, ale opada wskazuje na solaryzację[31].

Użyteczna skala naświetleń informuje w jakim zakresie można naświetlać dany materiał, by uzyskać poprawne odwzorowanie szczegółów w światłach i cieniach. Dla negatywów czarnobiałych wartość ta wynosi nawet 14EV[32], dla kolorowych 5-8EV[33], dla diapozytywów 5-6EV[34] , natomiast dla papierów fotograficznych 6EV[35].

Zakres tonalny w aparatach cyfrowych mierzy się specjalnym programem po sfotografowaniu wzorcowej tablicy szarości w określonych warunkach oświetleniowych.  Często wykorzystywanym wzorcem jest Stouffer T4110 (il. 3), czyli 41 obszarów o zaczernieniu różniącym się między sobą o 1/3 EV. Stosunek jasności skrajnych pól wynosi 10000:1, co daje zakres tonalny 13.6 EV.[36]

 

Model aparatu	Całkowity zakres tonalny	Zakres tonalny obrazów o wysokiej jakości
Canon 1D Mark IV	7-8EV	6,5 EV
Fujifilm FinePix S5 Pro	10,4 EV	8 EV
Nikon D3s	8 EV	7,3 EV
Olympus E-5	8 EV	6 EV
Pentax K-7	7,5 EV	6 EV
Sigma SD15	10 EV	7,5 EV
Sony Alpha DSLR-A900	8EV	6,3EV

Tabela 4: Wartości zakresu tonalnego dla wybranych aparatów cyfrowych.

Fotografia wzorca Stouffera (4,1D) wykonana na Delcie 100, wywołana w Microphenie i zeskanowana na skanerze bębnowym, pozwalającym na odwzorowanie kontrastu 1:100000 (5D) posłużyła do określenia  dynamiki. Do pomiaru wykorzystano Imatest. Wyniki okazały się zaskakujące. Maksymalna dynamika wynosiła 9,6 EV, a użyteczna 7,2 EV. Niestety z powodu szumu dynamika o średnio wysokiej jakości została określona na 3,25EV.[37]

1.1.3.      Kontrast

O kontrastowości danego materiału światłoczułego informują wskaźniki kontrastowości, czyli współczynnik kontrastowości (il. 4), gradient średni (il. 5) i użyteczna skala naświetleń. Są to wartości zależne od warunków przechowywania, naświetlania i wywoływania materiału.

Rys. Współczynnik kontrastowości i wyznaczanie gradientu średniego dla nietypowej krzywej charakterystycznej. Rysunki pochodzą z ksiażki Iliński., s. 69.

 

Współczynnik kontrastowości można wyliczyć na podstawie krzywej charakterystycznej. Jest to tangens kąta zawartego między prostoliniowym jej odcinkiem[38], a osią poziomą. Wylicza się go ze wzoru[39]:

γ = Δ D : Δ log H = tg α.[40]

Naturalna reprodukcja tonalności sceny następuje, gdy γ =1.[41]

Tabela 5: Współczynnik kontrastowości dla różnych rodzajów materiałów światłoczułych.

Tabela 6: Średni gradient dla różnych materiałów światłoczułych.

Różnica między odwzorowaniem kontrastu przez światłoczuły materiał srebrowy a cyfrową matrycę jest zasadnicza (il. 6).  Krzywa w fotografii tradycyjnej jest ciągła. Daje więc możliwość płynnego odwzorowania nieskończonej ilości odcieni. Tymczasem fotografia cyfrowa pozwala na odwzorowanie jedynie 256 tonów.  W praktyce te 256 odcieni wystarczy do stworzenia złudzenia płynnych przejść między tonami. Co więcej, manipulacja poszczególnymi fragmentami krzywej w fotografii analogowej jest zadaniem niezwykle trudnym. Oczywiście wprawny fotograf może kontrolować kontrast, stosując zasady systemu strefowego[42]. Jest to jednak zadanie żmudne i czasochłonne. Tymczasem fotografia cyfrowa pozwala na bardzo proste i dokładne wprowadzanie modyfikacji.[43]

Rys. Krzywe odwzorowania kontrastu w fotografii tradycyjnej i cyfrowej. Rysunek pochodzi z Lech J., „Eye One Color Management System firmy Greta Macbeth”, Fotografia cyfrowa 2006, nr.1, s. 76.

1.1.4.      Czułość

W fotografii srebrowej czułość filmu pozostaje praktycznie niezmienna. Modyfikacja warunków wywoływania i zastosowanie odpowiednich papierów pozwala na regulację w bardzo wąskim zakresie.  Jedyne ułatwienie w fotografowaniu może stanowić stosowanie błon ciętych w fotografii wielkoformatowej lub wymiana kaset w przypadku średniego formatu. Mimo to fotografia analogowa ma pod względem czułości  pewna przewagę. Daje możliwość wykonywania zdjęć wysokiej jakości na kliszach o niskich czułościach. Tak niskie wartości ISO nie są osiągalne w popularnych obecnie na rynku lustrzankach cyfrowych.

Niewątpliwą zaletą fotografii cyfrowej jest możliwość zmiany ustawienia ISO w dowolnym momencie. Szum widoczny na zdjęciach wykonanych na wyższych czułościach jest porównywalny z ziarnem wysokoczułych filmów.

1.1.5.      Odwzorowanie kolorów

Na odwzorowanie kolorów w dużej mierze wpływa balans bieli. Stosowanie filtrów w fotografii tradycyjnej pozwala tylko w ograniczonym stopniu dostosowywać kliszę do zastanych warunków oświetleniowych[44]. Tymczasem w fotografii cyfrowej zmiana balansu bieli jest dokonywana w ciągu kilku sekund poprzez wybranie odpowiedniej opcji w menu. Ponadto programy graficzne pozwalają na prostą i dokładną modyfikację tego parametru w postprocesie.

Obecnie większość matryc światłoczułych zbudowana jest w ten sposób, że za odwzorowanie kolorów odpowiadają piksele czerwone, niebieskie i zielone, przy czym tych ostatnich jest dwa razy więcej. Niekiedy wykorzystywane są układy trzech matryc z których każda przeznaczona jest do rejestrowania konkretnej barwy.[45] Dużym postępem technologicznym było skonstruowanie matrycy Foveon X3[46], w której elementy światłoczułe odpowiadające za zarejestrowanie barw są ułożone warstwowo. Budowa tej matrycy jest oczywistym nawiązaniem do kliszy fotograficznej, w której występują warstwy uczulone na promieniowanie czerwone, zielone i niebieskie. Zawierają one substancje organiczne, tzw. komponenty barwników: niebieskozielonego, purpurowego i żółtego. Najczęściej są pochodnymi α-naftanolu, pyrazolonu lub są to związki alifatyczne. Tworzą one, sprzęgając się z produktem utlenienia wywoływacza barwnego powstałego po redukcji halogenków srebra do srebra metalicznego, nierozpuszczalne w wodzie barwniki.[47]

Na odwzorowanie barw wypływają w przypadku fotografii tradycyjnej nie tylko właściwości kliszy, ale również sposób naświetlenia i wywołania negatywu oraz pozytywu.[48]

Test odwzorowania kolorów polega na sfotografowaniu  wzornika kolorów w określonym oświetleniu i dla dobranego do niego balansu bieli. Następnie specjalny program porównuje uzyskany obraz z tablicą wzorową. Przykładem popularnego programu jest Imatest[49] z procedurą  Colorcheck. Rezultaty przedstawione są w postaci tablicy na której można bezpośrednio porównać kolor wzorcowy z wynikową barwą zarejestrowaną przez aparat, oraz tablicy przestrzeni kolorów L*a*b* z zaznaczonymi błędami jakie popełnił aparat przy odwzorowaniu danej barwy. Ingerencję aparatu w rejestrowany kolor można opisać dwoma własnościami: nasyceniem koloru S oraz błędem koloru dC.[50]

Tabela 7: Wartości nasycenia koloru i błędu koloru dla wybranych lustrzanek cyfrowych.

Odwzorowanie kolorów przez aparaty cyfrowe jest dosyć dobre. Dla porównania dla Velvii średni błąd koloru w przestrzeni CIElab wynosił 12, a maksymalny aż 38.[51]

1.1.6.      KONTROLA

Fotografia cyfrowa daje możliwość znacznie większej kontroli nad zdjęciem. Ocena efektu jest możliwa w kilka chwil po naciśnięciu spustu migawki. Proces wywoływania i skanowania materiałów srebrowych mimo, że ustandaryzowany nie daje tak powtarzalnych efektów.