О реальном разрешении исторических фотографий, часть 1⁠⁠

{Мой перевод статьи чешского блогера Гонзы Губички от 27 марта 2016 года.}

http://hubicka.blogspot.com/2016/03/resolution-of-historical...

Как все знают, исторические фотографии полны прекрасных и важных деталей. Ну, по крайней мере, все, кто уделил достаточно внимания изучению оригинала или имел возможность увидеть качественный скан. В 19 веке фотографии не увеличивались, а отпечатки соответствовали размерам негативов. Даже маленькие визитки (кстати, называются CDV - Carte de visite - визитная карточка) стоит внимательно порассматривать под увеличительным стеклом.

Оценка верхней границы разрешения исторических фотографий имеет важное значение для настройки параметров оцифровки. Сегодня у нас наконец-то есть технология, позволяющая оцифровать практически всю информацию, содержащуюся на фотографии, и сделать ее широко доступной для общественности. Оцифровка трудоемка и опасна для оригинала, поэтому желательно сделать это всего один раз. Таким образом, ключевой вопрос заключается в том, какое разрешение сканирования достаточно, чтобы нам никогда не пришлось бы повторять его снова? Я задал этот вопрос в 2004 году, когда начался наш проект оцифровки архива фирмы "Шехтль и Восечек"( Šechtl & Voseček), и здесь я пытаюсь обобщить свои наблюдения по поводу одного конкретного изображения.

"Забастовка в Боснии" под микроскопом

Игнац Шехтль, Жижкова площадь в Таборе, 1880-1885, мокрый коллоидный процесс, негатив 11х13 см.

Это один из моих любимых примеров исторической фотографии высокого разрешения. Это была одна из первых фотографий, что мы просмотрели в 2004 году и заметили кое-что необычное. На крошечном фрагменте оригинальной стеклянной пластины отчетливо виден текст "Povstání v Bosně" / "Забастовка в Боснии"! Это был ключ к датировке фотографии - забастовка в Боснии была в 1875 году, так что это, должно быть, одна из самых старых сохранившихся фотографий площади!

Нам пришлось ждать еще 10 лет, чтобы прочитать больше, потому что нужно было отсканировать её в невероятных 5588dpi (5588 точек на отрезке в один дюйм (2,54 см)). Скан представлен здесь в полном разрешении (я, правда, не нашёл, где, ибо те фотографии, что приведены здесь, меньше описываемого исходника в десятки раз). В 2010 году мы купили сканер Eversmart Select, способный сделать такую работу (этот король планшетных сканеров в 2000-е годы стоил, как Ferrari, и нам всё ещё пришлось заплатить 6000 долларов за этого монстра). Сам текст имеет размер 0,5x0,2 мм в исходном размере. Нажмите на картинку, чтобы увидеть полное разрешение.

На обращённом и кропнутом (4,5х5,5мм) изображении видны позирующие для длинной выдержки люди, а также объявления на информационных щитах.

На фотографии позируют более 10 человек. Мальчик на переднем плане (за пределами предполагаемого кадрирования, если делать визитную карточку) успел сфотографироваться 4 раза. Очевидно, время экспозиции было долгим, и вся площадь взаимодействовала с фотографом. На последней (кропнутой) фотографии люди имеют рост около 0,2 мм. Возможно, они были разочарованы тем, что не смогли узнать себя даже под сильным увеличительным стеклом.

Однако мы смогли прочитать больше текста. Вы можете увидеть "Národní Kalendář"/" Национальный календарь" и, ещё более мелким шрифтом, "výročí"/"юбилей". С помощью Google я смог идентифицировать сам календарь - это "Pečírkův Národní Kalendář". Здесь вы можете прочитать дипломную работу об этом знаменитом календаре (на чешском). Очевидно, это один из выпусков, произведённых к годовщине забастовки в Боснии. По другим признакам, видимым на фотографии, мы знаем, что она был сделана в 1880-1885 годах. Таким образом, это означало, что придётся посетить Национальную библиотеку, чтобы уточнить, в каком именно.

Так каково же разрешение этой фотографии?

Обрезок объявления, отсканированного на 5588dpi с помощью Eversmart Select (слева), после цифровой накрутки резкости (посередине) и после уменьшения до 2000dpi и растянутый обратно (до 5588dpi)

Видно, что 2000dpi уже захватывает не все детали мелкого текста. При 2000dpi размер скана всей фотографии будет 8701x10315 пикселей, или 90 мегапикселей! Значительно выше разрешения моего Canon G7X, и это довольно консервативная оценка.

Конечно, этот снимок не конкурирует с нынешней 90-мегапиксельной цифровой камерой по всей площади пластины. Исторические объективы были резкими и контрастными в центре, а разрешающая способность ухудшалась по углам. Тем не менее впечатляет, что в 1880-е годы фотографы могли достичь разрешения дорогих профессиональных камер, доступных сегодня. 80-мегапиксельная Мамия продается за 28000 долларов, и это один из наиболее дешевых вариантов.

Как я могу оценить разрешение исторического негатива?

Достаточно ли моего сканирования в 5588DPI, или можно прочесть на объявлении ещё больше текста? Ну, в этом случае я могу легко дать ответ, сравнив резкость трещины в эмульсии с деталями изображения. Очевидно, что трещина чётче, чем остальная часть изображения, и поэтому камера моего прапрадеда не запечатлела резких деталей на 5588DPI.

{Вот тут я не совсем понял: либо Игнац Шехтль - действительно его прадед, либо он просто дурачится, потому что дальше он назовёт его прадедом ещё не раз}

Учитывая размеры архива с негативами, невозможно исследовать каждый из них настолько скурпулёзно. К счастью, доступны замеры, которые позволяют нам оценить разумный верхний потолок разрешения. Они хорошо описаны в работе Тимоти Витале: оценка разрешения исторических пленочных изображений: использование уравнения разрешающей способности (RPE) и оценки качества линз.

С 1940-х годов некоторые производители пленки публикуют данные о количестве пар линий на миллиметр, которые данная пленка может вместить. Обобщив данные опубликованных измерений, Т. Дж. Витале подготовил следующую таблицу по разрешению черно-белой пленки:

Тимоти Витале: оценка разрешения исторических пленочных изображений: использование уравнения разрешающей способности (RPE) и оценок качества объективов, рис. 18а

В этой таблице приведены данные о разрешении черно-белой пленки (начиная с 1940 года) и предполагаемом разрешении негатива в зависимости от года изготовления.

Разрешение негатива, однако, является просто очень грубой верхней границей разрешения реальной фотографии. Каждая фотография сделана через объектив, и от качества объектива зависит, насколько мелкие детали они могут запечатлеть. Следующее изображение прекрасно резюмирует этот эффект:

{Далее будут упомянуты формула расчёта и таблицы 1 и 2, которые не приводятся в статье. Ща объясню:

Сначала то самое уравнение разрешающей способности (PRE).

Для фотографий это

1/R = 1/r [носитель] + 1/r [объектив кам.] + 1/r [объектив увел.] + 1/r [фотобумага],

где R - общая разрешающая способность, r - разрешающая способность конкретного компонента

Нас же интересуют непосредственно негативы, для оценки разрешающей способности которых достаточно знать, на что способны пленка и объектив.

1/R [система] = 1/r [носитель] + 1/r [объектив]

А вот Кодак, например, приводит в своих даташитах более сложную формулу. При этом она даёт почти тот же самый результат, поэтому автор решил ею не пользоваться.1/R^2 [система] = 1/r^2 [носитель] + 1/r^2 [объектив]

Таблица 1. Информация о разрешении некоторых пленок и объективов. И не только о разрешении - на объективы приведена средняя цена по соответствующему данной эпохе курсу доларах.

Таблица 2. Таблица данных разрешающей способности конкретной системы. Посчитали, как изменится разрешающая способность системы, если плёнку отснять объективами разной степени хреновости. Выражены в количестве точек на дюйм (PPI) и потери в процентном отношении к возможностям пленки. lp/mm - пары линий на миллиметр

Возвращаемся к статье}

Таким образом, чтобы оценить разрешающую способность фотографии, необходимо оценить разрешающую способность объектива и объединить результаты с помощью уравнения разрешающей способности или использовать следующую упрощенную таблицу, предсказывающую потерю разрешения:

Таблица 3. 12 рекомендаций по прогнозированию потерь разрешения плёнки в соответствии с эрой и качеством плёнки и объектива.

Чтобы определить разрешение черно-белого негатива, сначала оценивают разрешение пленочного материала по первой таблице, а затем учитывают потери по второй таблице. Для уверенности, что детали изображения можно отличить от дефектов, было бы неплохо отсканировать его с разрешением примерно в два раза больше от расчётного.

И какой же сканер мне понадобится для фотографии моего пра-прадедушки? Ну, это типа негатив большого формата, снятый в 1880-х годах. Согласно первой таблице, разрешение "пленки" должно быть 1500ppi. Я применяю рекомендацию 9 (из табл. 3), из которой следуют потери в 60%. Фотография должна получиться не более 600ppi. На самом деле Т. Дж. Витале оценил бы её еще ниже:

Пленка 1889 года - собственное разрешение пленки 1885 года составит около 1460 ppi (28 ЛП/мм). Это пленка низкого разрешения, экспонируемая через средний объектив той эпохи, около 20-30 ЛП/мм. В соответствии с руководством 10 в таблице 6, пленка будет производить изображения с разрешением в диапазоне 483 ppi, как показано в колонке 7 таблицы 7. Однако если изображение было сделано с помощью ручной камеры, такой как складная камера Kodak #3 или коробчатая камера Kodak #2, оно может быть даже ниже 292 ppi, следуя руководству 11, как показано в колонке 8 таблицы 7.

Тимоти Витале: оценка разрешения исторических пленочных изображений: использование уравнения разрешающей способности (RPE) и оценки качества объектива, стр. 22.

Вот что я должен был бы увидеть на объявлении, если бы разрешающая способность была 600DPI

Тот же самый кроп (с календарём), ужатый до 600dpi и растянутый обратно.

Как мой пра-прадед обманул технологии и получил изображение в таком впечатляющем разрешении, если это было невозможно?

Во-первых, я считаю, что в таблице Тимоти Витале есть ошибка. 1940 год-это примерно то время, когда увеличители стали мейнстримом (с появлением 35-миллиметровых камер), а фотографы отошли от контактной печати. Впервые стал важен размер зерна негативного материала. Таким образом, я считаю, что использование закона Мура неверно. В то время, когда были изобретены черно-белые негативы, они начинались с некоторого разрешения, которое было легко произвести, и улучшения до 1940-х годов, вероятно, были гораздо менее драматичными, чем улучшения после 1940-х годов и до наших дней.

Таким образом, можно предположить, что разрешение пленки оставалось неизменным с момента изобретения пленки до 1940 года. Давайте повторим оценку, используя данные 1940-х гг. Пленка 1940-х годов оценивается в 3000PPI, с потерей 60% я получаю 1200PPI.

Всё тот же кроп, ужатый до 1200dpi и растянутый обратно.

Что ж, это уже ближе, но ясно, что я не смог бы идентифицировать автора календаря. Так что все еще недостаточно хорошо.

Есть еще одна ошибка в моей оценке - фотография сделана очень трудоемким мокрым коллодионным процессом (использовавшимся моим прапрадедом до начала 1890-х годов), где стеклянную пластину нужно было подготовить на месте, выставить и проявить еще влажной (поэтому фотографу пришлось бы принести палатку с передвижной фотолабораторией). Влажный процесс был хорошо принят за его низкую зернистость и использовался для печати еще долго после того, как появились сухие негативы.

Допустим, что эти негативы имели бесконечное разрешение, и посмотрим, какие объективы были доступны в 1880-х.

Гайд по оценке разрешения объективов всё из того же труда Тимоти Витале.

Профессиональный БФ - Любительские бокс-камеры, складные и какие-то PnS - Профессиональные среднего формата - Профессиональные и любительские малого формата.

В соответствии с этой таблицей, в 1880-х лучшая оптика могла похвастаться максимум 40 lp/mm.

Цифровое разрешение можно легко вычислить: 40*25.4*2=2002 (преобразование в дюймы и умножение на два для каждой пары линий). Это правдоподобное число, соответствующее моим наблюдениям. Но где же потеря разрешения пленки? Даже если мелкозернистый, влажный коллодиевый процесс определенно не имел бесконечное разрешение. Ну, мне не удалось найти никаких данных, и я подумываю провести эксперимент.

В каждом случае разрешающая способность объектива должна быть как минимум на 25% больше, чем фактическое разрешение изображения. До сих пор кажется маловероятным, что Игнац смог достичь такого разрешения с помощью актуальной на то время камеры, потому что объективы с разрешением более 50 ЛП/мм стали доступны только в 1890-х годах после того, как дома, запечатлённые на фотографии, были снесены.

По семейным преданиям, Игнац ездил в Англию и Венгрию за качественными объективами. Может быть, он также путешествовал во времени за своими покупками?

Мой пра-прадед во время визита в Лондон.

Более вероятное объяснение заключается в том, как оценивается разрешение объектива. Разрешение различается в центре и по краям, а также сильно зависит от ширины апертуры. В оптимальном месте и с зажатой диафрагмой объектив, вероятно, может работать немного выше своих официальных параметров, хотя Т. Дж.Витале прямо упоминает, что исторические объективы (1915-50), должно быть, ограничены 40-60 ЛП/мм в центре, и в его опыте негативы не превышают 1250ppi.

Руководства по оцифровке

Каковы данные в официальных руководствах по оцифровке негативов стеклянных пластин? Ответ варьируется, но в основном сильно ниже моих наблюдений:

U.S. National Archives and Records Administration (NARA) Technical Guidelines for Digitizing Archival Materials for Electronic Access: Creation of Production Master Files – Raster Images рекомендует сканирование в 6000 пикселей по длинному краю, около 135 МБ данных RGB, то есть 45 мегапикселей.

Library of congress digitized civil war photographs - примерно по 40 мегапикселей на каждый негатив (разрешение зависит от размера негатива).

Federal Agencies Digitization Guidelines Initiative: Technical Guidelines for Digitizing Cultural Heritage Materials рекомендует оцифровать фотографическую пленку до 4x5 при 1000PPI (1 звезда), и до 4000PPI (4 звезды). Рекомендация 4 звезды хороша, но если бы стеклянная пластина была на дюйм больше, она сканировалась бы от 500 PPI (1 звезда) до 2000 PPI (4 звезды).

Digitization Standards for the Canadian Museum of Civilization Corporation - рекомендуется 300 ppi, с минимумом 3000 пикселей для более длинной стороны (8x10, или 1:1 для форматов больше 8 x 10)

DFG Practical Guidelines on Digitisation:

Средний формат: 4000 dpi x 0.03 / 0.05 = 2400 dpi

9 x 12: 4000 dpi x 0.03 / 0.1 = 1,200 dpi

18 x 24: 4000 dpi x 0.03/0.2 = 600 dpi

Итог

Оцифровка исторических фотографий должна производиться таким образом, чтобы все детали оригиналов были запечатлены в цифровом файле. Здесь я сосредоточился на черно-белых негативах, которые являются одними из лучших, а также демонстрируют наибольшее разнообразие. Разрешение фотографии можно оценить на основе года ее изготовления и размера негатива, используя данные, представленные в работе Т. Дж. Виталя.

Я могу показать реальный пример фотографии, сделанной в 1880-1885 годах, которая соперничает с лучшими цифровыми снимками, которые мы можем сделать сегодня (по крайней мере, в в центральной их части). Детали изображения достигают разрешения более 2000ppi и нуждаются в сканировании с разрешением более 90 мегапикселей. Я бы сказал, что действительно полностью удовлетворительный скан представленной фотографии (с точки зрения разрешения) должен быть не менее 4000ppi, или 360 мегапикселей. Удвоение фактического разрешения изображения полезно для того, чтобы сделать повреждение фотографии легко отличимым от исходного изображения (на самом деле, Т. Дж.Витале рекомендует умножить на 4 для идеального захвата, это подтверждается теоремой Найквиста). Настоящий монстр, который превосходит большинство рекомендаций Руководства по оцифровке, за исключением FADGI.

{Вот это вот имеется в виду}

Следуя рекомендациям Т. Дж. Витале, можно оценить разрешающую способность в 600ppi. Таким образом, к предположениям о разрешении пленки до 1940-х годов, представленном Т. Дж.Виталем, следует относиться с осторожностью и, вероятно, стоит придерживаться опубликованных данных (то есть, все сухие стеклянные негативы до 1940-х годов должны иметь разрешение около 3000ppi), и еще более тщательно относиться к негативам мокрого процесса. Негативы, предшествовавшие 1940 году, редки и драгоценны, и стоит иметь дополнительное дисковое хранилище для таких сканов.

В следующей части я приведу примеры негативов сухого процесса высокого разрешения из нашей коллекции и перейду к вопросу о динамическом диапазоне, битовой глубине и других аспектах хорошего сканирования.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------