Фотография (фото — свет, графа — рисую, пишу — греч.)—рисование светом, светопись — была открыта не сразу и не одним человеком. В это изобретение вложен труд ученых многих поколений разных стран мира. Люди давно стремились найти способ получения изображений, который не требовал бы долгого и утомительного труда художника. Некоторые предпосылки для этого существовали уже в отдаленные времена.
1. КАМЕРА — ОБСКУРА
С незапамятных времен, например, было замечено, что луч солнца, проникая сквозь небольшое отверстие в темное помещение, оставляет на плоскости световой рисунок предметов внешнего мира. Предметы изображаются в точных пропорциях и цветах, но в уменьшенных, по сравнению с натурой, размерах и в перевернутом виде. Это свойство темной комнаты (или камеры-обскуры) было известно еще древнегреческому мыслителю Аристотелю, жившему в IV веке до нашей эры. Принцип работы камеры-обскуры описал в своих трудах выдающийся итальянский ученый и художник эпохи Возрождения Леонардо да Винчи. Известно, что еще в XIII веке были изобретены очки. Очковое стекло перекочевало затем в зрительную трубу Галилео Галилея. В России великий ученый М. В. Ломоносов положил начало развитию светосильных зрительных труб и оптических приборов. Пришло время, когда камерой-обскурой стали называть ящик с двояковыпуклой линзой в передней стенке и полупрозрачной бумагой или матовым стеклом в задней стенке. Такой прибор надежно служил для механической зарисовки предметов внешнего мира. Перевернутое изображение достаточно было с помощью зеркала поставить прямо и обвести карандашом на листе бумаги. В середине XVIII века в России, например, имела распространение камера-обскура, носившая название «махина для снимания першпектив», сделанная в виде походной палатки. С ее помощью были документально запечатлены виды Петербурга, Петергофа, Кронштадта и других русских городов. Это была «фотография до фотографии». Труд рисопалыцика был упрощен. Но люди думали над тем, чтобы полностью механизировать процесс рисования, научиться не только фокусировать «световой рисунок» в камере-обскуре, но и надежно закреплять его на плоскости химическим путем. Однако если в оптике предпосылки для изобретения светописи сложились много веков назад, то в химии они стали возможными только в XVIII веке, когда химия как наука достигла достаточного развития.
Камера Обскура
2. ОСНОВНОЙ ЗАКОН ФОТОХИМИИ
Одним из наиболее важных вкладов в создание реальных условий для изобретения способа превращения оптического изображения в химический процесс и светочувствительном слое послужило открытие молодого русского химика-любителя, впоследствии известного государственного деятеля и дипломата, А. П. Бестужева-Рюмина (1693—1766) и немецкого анатома и хирурга И. Г. Шульце (1687—1744). Занимаясь в 1725 г. составлением жидких лечебных смесей, Бестужев-Рюмин обнаружил, что под воздействием солнечного света растворы солей железа изменяют цвет. Через два года Шульце также представил доказательства чувствительности к свету солей брома. На несомненную связь фотохимического превращения в веществах с поглощением света впервые указал и 1818 г. русский ученый X. И. Гротгус (1785—1822). Он установил влияние температуры на поглощение и излучение света, причем доказал, что понижение температуры увеличивает поглощение, а повышение температуры увеличивает излучение света. В своих сообщениях Гротгус четко сформулировал мысль о том, что только те лучи могут химически действовать на вещество, которые этим веществом поглощаются. Это положение со временем, уже после открытия фотографии, стало первым, основным законом фотохимии. Независимо от Гротгуса ту же особенность установили в 1842 г. английский ученый Д. Гершель (1792—1871) и в 1843 г. американский профессор химии Д. Дрейпер (1811 —1882). Поэтому историки науки основной закон фотохимии называют ныне законом Гротгуса — Гершеля — Дрейпера. Для понимания и удовлетворительного объяснения этого закона важную роль в дальнейшем сыграла теория Планка, согласно которой излучение света происходит прерывисто определенными и неделимыми порциями энергии, называемыми квантами.
Камера Обскура
ПЕРВЫЕ В МИРЕ СНИМКИ
Целенаправленную работу по химическому закреплению светового изображения в камере-обскуре ученые и изобретатели разных стран начали только в Первой трети прошлого столетия. Наилучших результатов добились известные теперь всему миру французы Жозеф Нисефор Ньепс (1765—1833), Луи-Жак Манде Дагер (1787—1851) и англичанин Вильям Фокс Генри Тальбот (1800—1877). Их и принято считать изобретателями фотографии.
СНИМОК НЬЕПСА Ньепс первым в мире закрепил «солнечный рисунок». Он ориентировался на использование свойства асфальта, тонкий слой которого на освещенных местах затвердевает. На незакрепленных и неосвещенных местах асфальт вымывался с помощью лавандового масла и керосина. В 1826 г. Ньепс с помощью камеры-обскуры получил на металлической пластинке, покрытой тонким слоем асфальта, вид из окна своей мастерской. Снимок он так и назвал — гелиография (солнечный рисунок). Экспозиция длилась восемь часов. Изображение было весьма низкого качества, и местность была едва различима. Но с этого снимка началась фотография.
Камера Ньепса
СНИМОК ТАЛЬБОТА В 1835 г. Тальбот тоже зафиксировал солнечный луч. Это был снимок решетчатого окна его дома. Тальбот применил бумагу, пропитанную хлористым серебром. Выдержка длилась в течение часа. Тальбот получил первый в мире негатив. Приложив к нему светочувствительную бумагу, приготовленную тем же способом, он впервые сделал позитивный отпечаток. Свой способ съемки изобретатель назвал калотипией, что означало «красота». Так он показал возможность тиражирования снимков и связал будущее фотографии с миром прекрасного. Первый снимок Тальбота – решетчатое окно его дома выполнен в 1835 году.
СНИМОК ДАГЕРА Одновременно с Ньепсом над способом закрепления изображения в камере-обскуре работал известный французский художник Дагер, автор знаменитой парижской диорамы. Работа над световыми картинами натолкнула его на мысль закрепить изображение. От оптика Шарля Шевалье, создавшего впоследствии объектив для дагеротипной камеры, он узнал, что Ньепс получил первые обнадеживающие результаты. Дагер заключил с Ньепсом соглашение о совместном сотрудничестве над изобретением. Однако в 1833 г. Ньепс умер. Дагер настойчиво продолжал начатое дело и в 1837 г. открыл надежный способ проявления и закрепления скрытого изображения на очувствленной к свету серебряной пластинке. Дагер впервые в мире получил снимок со сравнительно высоким качеством изображения. Он снял довольно сложный натюрморт, составленный из произведений живописи и скульптуры. Этот снимок Дагер передал потом де Кайэ, хранителю музея в Лувре. Автор экспонировал серебряную пластинку в камере-обскуре в течение тридцати минут, а затем перенес в темную комнату и держал над парами нагретой ртути. Закрепил изображение с помощью раствора поваренной соли. На снимке хорошо проработались детали рисунка как в светах, так и в тенях. Свой способ получения фотоизображения изобретатель назвал собственным именем — дагеротипия — и передал его описание секретарю Парижской Академии наук Доминику-Франсуа Араго. На заседании Академии 7 января 1839 г. Араго торжественно доложил ученому собранию об удивительном изобретении Дагера, заявив, что «отныне луч солнца стал послушным рисовальщиком всего окружающего». Ученые одобрительно приняли известие, и этот день навсегда вошел в историю как день рождения фотографии.
ФОТОГРАФИЯ в РОССИИ
В России практическое применение светописи началось буквально в первые месяцы после обнародования принципов фотографирования. Русские ученые не только проявили живой интерес к факту открытия фотографически процессов, но и приняли плодотворное участие в их изучении и усовершенствовании. В 1839 году академик И. Х. Гамель (1788 — 1862) отправился в Англию. Там он познакомился с В. Тальботом (Толботом) и его изобретением. В мае – июне 1839 года Гамель прислал в Петербург снимки с описанием способа Тальбота. Затем прислал аппарат и снимки по способу Ньепса и Дагера. Впоследствии Гамель получил от родственников Ньепса 160 документов по истории изобретения фотографии – письма Нисефора Ньепса, Дагера, Исидора Ньепса и других. В России первые фотографические изображения получил выдающийся русский химик и ботаник, академик Юлий Федорович Фрицше (Fritzsche) (1802 — 1871). Это были фотограммы листьев растений, выполненные по способу Тальбота. 23 мая 1839 года Фрицше на заседании Петербургской Академии наук выступил с «Отчетом о гелиографических опытах», в котором дал исчерпывающий анализ способа Тальбота по материалам, представленным Гамелем. Фрицше нашел калотипию пригодной для выполнения научных снимков с плоских предметов. «Ботаник может пользоваться ей с выгодой, когда речь идет о том, чтобы сделать точный рисунок с оригинальных экземпляров гербария», — сообщил он. Одновременно Фрицше предложил внести существенные изменения в этот способ – он рекомендовал заменить во время проявления применявшийся Тальботом тиосульфат натрия (гипосульфит) аммиаком и на практике доказал, насколько это улучшает изображение. Доклад Фрицше на заседании Петербургской Академии наук представляет собой первую исследовательскую работу по фотографии в нашей стране и одну из первых исследовательских работ по фотографии в мире. Один из снимков выполненных в России академиком Фрицше – фотограмма листьев растений, май 1839 год. Пионерами фотографии в России, которые своим путём практически добрались до изобретения фотографии, были Алексей Греков и Ливицкий.
Развитие и совершенствование ФОТОГРАФИИ
Значительный вклад в достижение фототехники внесли такие ученые, как французы А. Физо, А. Клоде, венгр Й. Петцваль, русский А. Греков, американец С. Морзе и многие, многие другие.
Период дагерротипии просуществовал немного. Изображение на серебряной пластинке стоило дорого, было зеркально обращенным, изготовлялось в одном экземпляре, рассматривать его из-за блеска было крайне затруднительно.
Калотипный способ обладал большими достоинствами, поэтому он и получил дальнейшее развитие. Уже в конце 40-х годов XIX века изобретатель из семьи Ньепсов – Ньепс де Сен-Виктор — заменил в этом способе негативную подложку из бумаги стеклом, покрытым слоем крахмального клейстера или яичного белка. Слой очувствили к свету солями серебра. В 1851 году англичанин С. Арчер покрыл стекло коллодионом. Позитивы стали печатать на альбуминной бумаге. Фотографии можно было размножать. Еще через два с небольшим десятилетия Ричард Меддокс предложил съемку на сухих броможелатиновых пластинках. Такое усовершенствование сделало фотографию родственной современной. В 1873 году Г. Фогель изготовил ортохроматические пластинки. Позднее были сконструированы объективы-анастигматы. В 1889 году Д. Истмен (основатель фирмы «Кодак») наладил производство целлулоидных пленок. В 1904 году появились первые пластинки для цветной фотографии, выпущенные фирмой «Люмьер». Фотография наших дней – это и область науки о ней самой и область техники, это методы исследования и документации, это художественное призвание людей, это и различные виды прикладной деятельности. В 1852 г. дагерротипия и тальботипия были полностью заменены новым методом, получившим название мокрый коллодионный процесс, предложенный в 1851г англичанином Фредериком Скоттом Арчером. Применение этого процесса существенно повысило светочувствительность и позволило получить изображение исключительно высокого качества, особенно по резкости. Это обстоятельство привело к тому, что мокрый коллодионный процесс применяется и по настоящее время в некоторых специальных областях (полиграфия, изготовление шкал и сеток и т. д.). К преимуществам мокрого коллодионного процесса следует отнести: высокую чувствительность (выдержка при съемке сократилась до долей секунды); использование стеклянной подложки существенно облегчило печать с негатива; хорошее качество негативного изображения; дешевизну.
Сухие бромосеребряные желатиновые слои
В 1871г. английский врач Ричард Лич Мэддокс(1816-1902) впервые предложил для приготовления «светочувствительной жидкости» использовать желатин-белок животного происхождения, получаемый из костей и кожи крупного рогатого скота, который хорошо набухает в холодной воде и становится проницаемым для водных растворов. Применение желатина стало крупным шагом в дальнейшем развитии фотографии и создало широкие предпосылки для промышленного изготовления фотоматериалов. Параллельно с усовершенствованием фотографических эмульсий велись работы и по изысканию новых подложек для светочувствительных эмульсионных слоев. До 80-х гг. прошлого столетия все негативные материалы готовились только на стеклянной подложке, что создавало в свою очередь большие трудности, в особенности при использовании фотографии в полевых условиях. Изобретатель фотоплёнки американский фотолюбитель Г. В. Гудвин (1822- 1900) в 1887 г. подал заявку на изобретение «Фотографическая плёнка и процесс её производства». В 1880 году американский изобретатель Джордж Истмен (1854-1932) разработал процесс изготовления сухих фотографических пластин, использование которых существенно упростило работу фотографа, и в том же 1880 г. основал фирму Eastman Dry Plate and Film Company для их производства, преобразованную в 1892 в Eastman Kodak Company.
В самом конце ХIХ — начале ХХ века Д. Истмен создал модель портативного фотоаппарата и открыл пункты по обработке фотопленки и печати фотографий по всему миру. Девизом его фирмы Коdак стало изречение: «Нажмите кнопку, мы сделаем остальное!» Первый фотоаппарат «Кодак», появившийся в 1888 году, был простой портативной камерой, вмещавшей ролик бумаги на 100 снимков Камера с отснятыми снимками возвращалась производителю для проявления, печати и перезарядки. В 1889 году Истмен разработал прозрачную пленку. В 1900 году он создал более простую фотокамеру, которой могли пользоваться даже дети. Стоила она всего 1 доллар и продавалась вместе с роликом пленки в кассете, которую после фотографирования можно было отправить на завод-изготовитель для проявки и печати. Такими камерами пользовались миллионы любителей фотографии.
История создания цифровой фотографии
1908 Шотландец Алан Арчибальд Кэмпбел Свинтон (Alan Archibald Campbell Swinton) печатает в журнале Nature статью, в которой описывает электронное устройство для регистрации изображения на электронно-лучевой трубке. В дальнейшем эта технология легла в основу телевидения.1969 Исследователи из Bell Laboratories — Уиллард Бойл (Willard Boyle) и Джордж Смит (George Smith) сформулировали идею прибора с зарядовой связью (ПЗС) для регистрации изображений. 1970 Ученые из Bell Labs создали прототип электронной видеокамеры на основе ПЗС. Первый ПЗС содержал всего семь МОП-элементов. 1972 Компания Texas Instruments запатентовала устройство под названием «Полностью электронное устройство для записи и последующего воспроизведения неподвижных изображений». В качестве чувствительного элемента в нем использовалась ПЗС-матрица, изображения хранились на магнитной ленте, а воспроизведение происходило через телевизор. Данный патент практически полностью описывал структуру цифровой камеры, несмотря на то, что сама камера фактически была аналоговой. 1973 Компания Fairchild (одна из легенд полупроводниковой индустрии) начала промышленный выпуск ПЗС-матриц. Они были чёрно-белыми и имели разрешение всего 100х100 пикселей. В 1974 при помощи такой ПЗС-матрицы и телескопа была получена первая астрономическая электронная фотография. В том же году Гил Амелио (Gil Amelio), также работавший в Bell Labs, разработал техпроцесс производства ПЗС-матриц на стандартном полупроводниковом оборудовании. После этого их распространение пошло намного быстрее. В 1975 году инженер Стив Сассон, работавший в компании Kodak, сделал первую работающую камеру на ПЗС-матрице производства Fairchild. Камера весила почти три килограмма и позволяла записывать снимки размером 100×100 пикселей на магнитную кассету (один кадр записывался 23 секунды). В 1981 году Sony выпускает камеру Mavica (сокращение от Magnetic Video Camera), с которой и принято отсчитывать историю современной цифровой фотографии. Mavica имела разрешение 570×490 пикселей (0,28 Мп). Устройством цифровой памяти в нем служила широко распространенная дискета. Но объем ее памяти составлял всего 1,44 Мб. Поэтому все дальнейшие цифровые фотокамеры используют в качестве устройства цифровой памяти карточки флэш-памяти. Это позволило не только значительно увеличить память, но и значительно уменьшить габариты цифровых фотокамер.
Принцип работы цифровой фотокамеры заключается в том, что ее оптическая система (объектив) проецирует и фокусирует уменьшенное изображение фотографируемого объекта на миниатюрную полупроводниковую матрицу из светочувствительных элементов ПЗС (CCD). ПЗС-матрица — это аналоговое устройство: электрический ток возникает в каждом пикселе изображения в прямом соотношении с интенсивностью падающего света. Чем выше плотность пикселей в ПЗС-матрице, тем более высокое разрешение будет давать фотокамера. Далее полученный аналоговый сигнал с помощью цифрового процессора преобразуется в оцифрованное изображение, которое сжимается в формат JPEG (или аналогичный ему) и затем записывается в память камеры. Емкостью этой памяти определяется количество снимков. В качестве памяти цифровых фотокамер используются различные накопители — дискеты, карточки флэш-памяти, оптические диски CD-RW и др.
А дальше эти запомненные электрические сигналы в виде картинки можно вывести на экран компьютера, телевизора, напечатать на бумаге с помощью принтера или передать по электронной почте в любую страну. Чем больше пикселей содержит ПЗС-матрица, тем больше четкость цифрового фотоизображения. В матрицах современных цифровых фотоаппаратов число пикселей доходит до 3-4 и даже 7 миллионов (мегапикселей).
Цифровой фотоаппарат снабжен дисплеем, на котором сделанный снимок появляется сразу же после нажатия кнопки (рис. 6.22). Никакого проявления и закрепления изображения при этом не требуется. Если снимок не понравился, его можно «стереть» и на его место поместить новый. Единственное, что в цифровом фотоаппарате осталось от традиционной фотографии, — это объектив и камера-обскура, в которой помещается светочувствительная ПЗС-матрица.
1976 Fairchild выпускает первую коммерческую электронную камеру MV-101, которая была использована на конвейере Procter&Gamble для контроля качества продукции. Это уже была первая, полностью цифровая камера, передававшая изображение в миникомпьютер DEC PDP-8/E по специальному параллельному интерфейсу 1980 Sony представила на рынок первую цветную видеокамеру на основе ПЗС-матрицы (до этого все камеры были чёрно-белыми).
1981 Sony выпускает камеру Mavica (сокращение от Magnetic Video Camera), с которой и принято отсчитывать историю современной цифровой фотографии. Mavica была полноценной зеркальной камерой со сменными объективами и имела разрешение 570×490 пикселей (0,28 Мп) Она записывала отдельные кадры в формате NTSC и поэтому официально она называлась «статической видеокамерой» (Still video camera). Технически, Mavica была продолжением линейки телевизионных камер Sony на основе ПЗС-матриц. Во многом, появление Mavica было переворотом, аналогичным изобретению химического фотопроцесса в начале 19-го века. На смену громоздким телекамерам с электронно-лучевыми трубками пришло компактное устройство на основе твердотельного ПЗС-сенсора. Полученные на ПЗС-матрице изображения сохранялись на специальном гибком магнитном диске в аналоговом видеоформате NTSC. Диск был похож на современную дискету, но имел размер 2 дюйма. На него можно было записать до 50 кадров, а также звуковые комментарии. Диск был перезаписываемый и назывался Video Floppy и Mavipak.
Примерно в то же время в канадском университете Калгари была разработана первая полностью цифровая камера под названием All-Sky camera. Она предназначалась для научной фотосъемки, была сделана на основе ПЗС-матрицы Fairchild и выдавала данные в цифровом формате.
1984-1986 По примеру Sony, компании Canon, Nikon, Asahi также начали выпуск электронных видео — и фотокамер. Камеры были аналоговыми, стоили очень дорого и имели разрешение 0,3–0,5 мегапикселей. Картинки в формате видеосигнала писались на магнитные носители (как правило, дискеты). В этом же году Kodak ввёл в обиход термин «мегапиксель», создав промышленный образец CCD-сенсора с разрешением 1,4 Мп.
1988 Компания Fuji, которой и принадлежит право первенства в производстве полноценной цифровой видео-фотокамеры, совместно с Toshiba выпустила камеру Fuji DS-1P, основанную на ПЗС-матрице с разрешением в 0,4 Мп. DS-1P также стала первой камерой, записывавшей изображение в формате NTSC не на магнитный диск, а на сменную карту памяти статического ОЗУ (Static RAM) со встроенной для поддержания целостности данных батарейкой. В том же году Apple совместно с Kodak выпускает первую программу для обработки фотоизображений на компьютере — PhotoMac.
1990 Появилась уже полностью цифровая, коммерческая камера – Dycam Model 1, более известная под как Logitech FotoMan FM-1. Камера была чёрно-белая (256 градаций серого), имела разрешение 376×240 пикселов и 1 мегабайт встроенной оперативной памяти для хранения 32 снимков, встроенную вспышку и возможность подключить камеру к компьютеру.
1991 Kodak, совместно с Nikon, выпускает профессиональный зеркальный цифровой фотоаппарат Kodak DSC100 на основе камеры Nikon F3. Запись происходила на жесткий диск, находящийся в отдельном блоке, весившем около 5 кг.
1994 Apple совершает настоящий маркетинговый прорыв, выпустив Apple QuickTake 100. Фотокамера была выпущена в корпусе, напоминавшем бинокль (популярная в те годы форма для видео-фотокамер) и позволяла хранить во внутренней Flash-памяти восемь снимков размером 640×480 (0,3 Мп) или тридцать два снимка с половинным разрешением 320×200. Подключалась камера к компьютеру с помощью последовательного порта, питалась от трёх батареек формата AA и стоила меньше восьмисот долларов.
1994 На рынке появились первые Flash-карты форматов Compact Flash и SmartMedia, объёмом от 2 до 24 Мбайт.
1995 Выпущены первые потребительские фотоаппараты Apple QuickTake 150, Kodak DC40, Casio QV-11 (первая цифровая фотокамера с LCD-дисплеем и первая же — с поворотным объективом), Sony Cyber-Shot. Началась гонка за снижение цены и приближение качества цифровой фотографии к качеству плёнки. Casio QV-11 (первая цифровая фотокамера с LCD-дисплеем и первая же — с поворотным объективом), 1996.
Приход на рынок компании Olympus, не только с новыми моделями, но и с концепцией комплексного подхода к цифровому фото, основанной на создании локальной пользовательской инфраструктуры: камера + принтер + сканер + персональное хранилище фотоинформации.
1996 Fuji представила первый цифровой минилаб. Технология нового устройства была гибридной – она сочетала в себе лазерные, цифровые и химические процессы. В дальнейшем к производству цифровых минилабов подключились и другие компании, в частности, Noritsu и Konica.
1997 Преодолён символический рубеж в 1 мегапиксель: в начале года выходит камера FujiFilm DS-300 c 1,2-мегапиксельной матрицей, в середине — зеркальная (на основе светоразделяющей призмы) однообъективная камера Olympus C-1400 XL (1,4 мегапиксела).
1999 В феврале появляются 2-мегапиксельные любительские ЦФК: FujiFilm MX-2700 (2,16 мегапиксела), а также Olympus C2000Z и Nikon Coolpix 700 — обе с разрешением 1,92 мегапиксела. Компания Nikon выпустила первую однообъективную профессиональную зеркальную камеру Nikon D1, оснащенную матрицей RGB-CCD размером 15,6х23,7 мм (2,74 мегапиксела, из которых 2,64 — эффективные). Разрешение 2000х1312 точек, глубина цветопередачи 36 бит.
2000 Выпуск камеры Contax N Digital первой полнокадровой (24х36 мм) камеры с разрешением 6 Мп.
2000-2002 Цифровые камеры становятся доступными для массового потребителя.
2002 Sigma выпускает камеру SD9 c трехслойной матрицей Foveon.
2003 Начало выпуска Canon EOS 300D – первой доступной по цене широкому кругу фотографов зеркальной цифровой фотокамеры со сменными объективами. Благодаря этому факту, а также выпуску аналогичных камер другими производителями, произошло массовое вытеснение плёнки не только из среды непритязательных любителей и профессионалов, но и среди «продвинутых» любителей, до этого относившихся к цифровой фотографии довольно прохладно.
2003 Компаниями Olympus, Kodak и FujiFilm представлен стандарт 4:3, направленный на стандартизацию цифровых зеркальных камер и выпущена фотокамера Olympus Е-1 под этот стандарт.
2005 Начало выпуска Canon EOS 5D – первой доступной по цене (цена менее $3000) камеры с полнокадровым сенсором с разрешением 12.7 Мп
Вследствие совершившейся цифровой миниреволюции особенно выиграли японские компании, в отличие от осторожных «американцев». В частности, Sony и Canon сегодня считаются признанными лидерами рынка, а компания Kodak, являясь одним из ведущих разработчиков технологий для цифровой фотографии, рынок любительской цифровой фототехники практически потеряла. История эта не завершена, она активно продолжается в настоящее время.