10005

собности фотоматериалов, используемых в традиционной фотографии.

В настоящее время только профессиональные камеры по разрешающей способности приближаются к галогенсеребряным фотоматериалам. Вместе с тем, для формата 9х12 см они дают изображения достаточно высокого качества. Следует учитывать и то, что конечное разрешение деталей изображения на бумаге в цифровой фотографии зависит от разрешающей способности печатающего устройства. Поэтому говорить о сопоставимости изображений, получаемых традиционным путем и с помощью компьютерных средств, можно лишь в случае применения устройств с высоким разрешением (высокоразрешающих лазерных принтеров). В криминалистике применение профессиональных студийных камер (с высоким разрешением) ограничивается высокой стоимостью их световоспринимающих устройств, в связи с чем они пока недоступны большинству экспертных подразделений.

Применение цифровой фотографии в криминалистике. Циф-

ровая фотография, как и традиционная, совмещает в себе две функции: запечатлевающую и исследовательскую. Она активно используется при производстве следственных действий, позволяя уже в ходе их проведения оперативно изготавливать изображения фиксируемых процессов, обстановки, предметов-вещественных доказательств, следов и оформлять их вместе с протоколом. Широки ее возможности и при проведении экспертных исследований.

2. Аппаратно-программные средства цифровой фотографии

Многие экспертно-криминалистические подразделения оснащены комплексами цифровых средств, позволяющими проводить исследования объектов, подготавливать текстовую и иллюстративную часть заключения эксперта. Такие комплексы называются – компьютеризированные рабочие места эксперта (КРМ) по проведению различных видов экспертиз: почерковедческих – «Парм», баллистических – «Балэкс», дактилоскопических – «Дактотекст» и др.

Применяемые в КРМ аппаратные и программные средства можно разделить на два вида: специализированные и адаптированные для решения криминалистических задач.

К профессиональным узкоспециализированным относятся импорт-

ные и отечественные комплексы, например, разработки фирм «СОН- ДА-ПЛЮС», «Системы ПАПИЛОН», «БАРС Интернэшнл», Научноисследовательского института промышленного телевидения «РАСТР»

141

(г. Великий Новгород) и т. п. Элементы цифровой фотографии используются в автоматизированных информационно-поисковых системах (АИПС) для различных видов экспертиз, задача которых состоит в обеспечении эксперта необходимой справочной информацией (графической и текстовой). В ряде таких систем используются принципы анализа изображений и распознавания образов, которые позволяют осуществлять диагностические и идентификационные исследования. В большинстве АИПС предусматриваются функции по обработке графических изображений: увеличение-уменьшение, поворот изображения, изменение яркости и цвета выявляемых деталей, удаление помех, цветовая коррекция, выравнивание фона. Это позволяет работать с очень сложными объектами, такими, как следы пальцев рук, следы орудий взлома и др.

Адаптированные – это комплексы, созданные на базе общедоступной бытовой теле-, видео- и цифровой фотоаппаратуры и пользовательских аппаратных средств и программных продуктов. Известны довольно удачные решения по использованию бытовых аналоговых и цифровых видеокамер для съемки различных криминалистических объектов и следов, созданию баз данных по учету объектов. Они используются при микроскопических исследованиях, позволяют подготавливать иллюстрации к заключениям дактилоскопических, баллистических, почерковедческих, трасологических и других экспертиз. Однако в рамках криминалистической фотографии возможности таких комплексов ограничены.

Основным отличием цифровой фотографии от традиционной является использование иных «цифровых» средств съемки и обработки изображений. Для реализации цифровых технологий в фотографии необходим комплекс цифровых средств – обязательный набор инструментальных средств, включающий: устройство ввода, графическую станцию (для преобразования в цифровой вид, обработки и хранения изображений) и устройство вывода информации.

В качестве устройства ввода изображения могут выступать:

видеокамеры, телекамеры, сканирующие устройства (проекционный или планшетный сканер), цифровые фотокамеры.

Существует два класса цифровых фотокамер – профессиональные и любительские. Профессиональные камеры, в свою очередь, подразделяются на студийные (стационарные) и репортерские (переносные). Профессиональные студийные камеры предназначены для съемки различных криминалистических объектов и следов в условиях лаборатории. Репортерские цифровые камеры могут использоваться автономно от компьютера. Цифровые любительские фотокамеры позволяют производить съемку в помещении и в поле-

142

вых условиях, характеризуются несколько меньшим разрешением, чем профессиональные камеры, но вполне пригодны для фиксации криминалистических объектов.

Сканеры – устройства для считывания графической информации в компьютер (от англ. scan – разглядывать, рассматривать). Различают проекционные и планшетные сканеры. С помощью проекционных сканеров проводят сканирование как объемных, так и плоских объектов, а планшетные сканеры предназначены для сканирования только плоских объектов.

В качестве устройств ввода используют также видеокамеры (телекамеры), снабженные высококачественными объективами с переменным фокусным расстоянием. Практически любая видеокамера позволяет проводить как обычную съемку, так и макросъемку объектов. Бытовые видеокамеры форматов VHS и VHS-C, имеющиеся в экспертных подразделениях МВД, могут размещаться на штативе распространенных макрофотографических установок типа «Уларус» и использоваться для съемки различных объектов и следов.

Графическая станция используется для преобразования изображения, полученного устройством ввода, в цифровой вид, а также для редактирования и хранения цифровых изображений. Она представляет собой персональный компьютер, оснащенный платой видеоввода (видеозахвата) изображений и обладающий достаточным объемом памяти и быстродействием для работы с графическими изображениями (компьютер с процессором Pentium MMX и выше, с объемом оперативной памяти не менее 128 Мегабайт и объемом жесткого диска не менее 20 Гигабайт). В качестве программного обеспечения для работы с изображениями используются: программа управления платой видеоввода (видеозахвата), графический редактор Adobe Photoshop версий 5.0, 5.5, 6.0, программы для просмотра изображений и др.

К устройствам вывода (печати) изображений относятся пе-

чатающие устройства – принтеры, позволяющие получить изображение объекта на бумаге. Наиболее подходящими являются струйные, лазерные и термосублимационные принтеры, позволяющие воспроизводить на бумаге мелкие детали изображения и полутона.

3. Теоретические основы цифровой фотографии

Основы ввода изображения в компьютер. Оптическое изоб-

ражение объекта формируется в фокальной плоскости цифрового фотоаппарата (видео-, телекамеры) точно так же, как и в обычном

143

фотоаппарате, т. е. посредством объектива. Однако светоприемником в данном случае служит устройство, называемое прибором с зарядовой связью (ПЗС).

Светочувствительный сенсор для получения электронного изображения представляет собой микросхему (твердотельную пластинку), размером до 1 дюйма (25,4 мм), как правило, не более размера кадра малоформатной камеры. Пластинка – это светочувствительный полупроводниковый кристалл, называемый также матрицей или чипом ПЗС (от англ. chip- пластинка). На ней размещено большое количество мельчайших фотоэлементов – пикселов (от англ. picture element – элемент изображения). Чем больше этих элементов, тем выше разрешающая способность данных светоприемников.

В цифровой фотографии применяют два вида светочувствительных приемников: ПЗС-матрицы и ПЗС-линейки (рис. 33).

Рис. 33. Два вида светоприемников в компьютерной фотографии: а – неподвижный; б – подвижный

ПЗС-линейка – «подвижный» светоприемник, т. е. изображение сканируется световоспринимающей поверхностью поэтапно, элемент за элементом по строкам и по всему кадру. Камеры с такими устройствами могут работать только совместно с компьютером, используя для записи изображения жесткий диск. Цифровые камеры и сканеры с ПЗС-линейками обладают параметрами качества (например, разрешающей способностью), намного превосходящими камеры с ПЗС-матрицами. Вместе с тем, объект съемки при экспонировании должен быть абсолютно неподвижным в течение 0,5-3 мин, а освещение постоянным. Для оперативной съемки такие камеры не пригодны.

144

ПЗС-матрицы представляют собой «неподвижные» светоприемники, на всей площади которых объектив формирует оптическое изображение. Они предназначены для оперативной съемки.

ПЗС-матрицы в теле- и видеокамерах обычно имеют размер от 1/4 до 1 дюйма (6,5- 25,4 мм). Их поверхность обычно разделена на строки (от 504 до 1200), в каждой из которых содержится большое количество светочувствительных элементов (от 756 до 1200). Единичный элемент ПЗС (рис. 34) представляет собой твердотельную структуру типа МОП-конденсатора (МОП – металл-оксид-полупроводник). При его изготовлении на подложку из полупроводникового материала p-типа, например кремния (легированного микропримесями), покрытую слоем диэлектрика (оксида кремния), нанесены ряды тончайших и поэтому прозрачных металлических электродов. Электроды имеют очень малую площадь, например 5х5 мкм (10-6 метра), и образуют вместе со слоями оксида и полупроводника элементарные фотодатчики. Таким образом, попадая на матрицу светочувствительного полупроводникового приемника, оптическое изображение разлагается на отдельные элементы (пикселы). Числу датчиков в каждом ряду соответствует число элементов изображения в строке.

Рис. 34. Конструкция и принцип работы светочувствительного элемента ПЗС-матрицы

К светочувствительному элементу ПЗС прикладывается напряжение, под действием которого в слое кремния под электродом образуется область пространства с пониженной энергией – потен-

145

циальная яма, в которой скапливаются выбиваемые из светочувствительного оксидного слоя под действием света электроны. Появление и накопление электронов, как и в обычной фотографии, представляет собой хорошо известный внутренний фотоэффект. Скорость, с которой электроны попадают в потенциальную яму, зависит от интенсивности света. Элемент ПЗС ведет себя при этом как конденсатор, который в зависимости от количества падающего на него света заряжается в большей или меньшей степени. Через периодические промежутки времени производится построчное или покадровое измерение величины зарядов, накопленных в каждом полупроводниковом фотоэлементе, и на выходе ПЗС формируется сигнал, несущий информацию о яркостях точек изображения в виде изменения значения напряжения. Значения напряжения изменяются в известных пределах пропорционально интенсивности света, падающего на определенный элемент датчика.

Ввод изображения в компьютер можно разбить на отдельные этапы. Как и в традиционной фотографии, изображение объекта формируется объективом на светочувствительной поверхности ПЗС-матрицы (рис. 35). При этом происходит разложение изображения на отдельные точки, яркость которых соответствует уровню освещения.

Рис. 35. Разложение изображения на отдельные точки

146

При вводе изображения измеряется распределение яркости в изображении с помощью ПЗС-матрицы или ПЗС-линейки.

Принципиальная схема измерения яркости представлена на примере съемки тоновой шкалы (см. рис. 36). Величина напряжения, измеренная светочувствительным датчиком, не прямо пропорциональна яркости элемента изображения. Для обеспечения требуемой пропорциональности в устройствах ввода производится автоматическая коррекция.

Электрический сигнал, несущий информацию об изображении, или видеосигнал, в своем исходном виде является аналоговым сигналом. Для ввода такого сигнала в компьютер его преобразовывают в цифровой вид.

Рис. 36. Принцип ввода значений яркости изображения

147

Аналого-цифровое преобразование – это преобразование ви-

деосигнала (электрического сигнала), возникающего на выходе ПЗС, в кодовые импульсы, которые после дальнейшей обработки приобретают цифровую форму и записываются на носителе информации. Операция «оцифровки» выполняется аналого-цифровым преобразователем, представляющим собой отдельный модуль – интегральную микросхему, располагающуюся на плате видеоввода изображений

(рис. 37).

Рис. 37. Принцип аналого-цифрового преобразования

При аналого-цифровом преобразовании осуществляются три основные операции: дискретизация исходного аналогового сигнала по времени, его квантование по уровням и кодирование.

Дискретизация состоит в преобразовании непрерывных аналоговых данных, которые возникают при измерениях, в значения, которые могут быть выражены целыми числами (ступенчатые или «дискретные»). Измеряемая величина, например, не может иметь значение 123,456789, а должна принять значение, равное только

123 или 124.

Возможный диапазон значений аналогового сигнала (соответствующий значениям яркостей объекта) делится на ряд уровней или интервалов квантования. В цифровой фотографии весь диапазон сигналов яркости для черно-белых полутоновых изображений принято делить на 256 интервалов при восьмибитовом представлении изображения (256 = 28), для цветных при 24 - и 36битовом представлении – на 16,7 млн интервалов и более.

Кодирование изображения представляет преобразование в двоичный код. Наибольшее число значений какой-либо величины, которые могут быть выражены двоичным кодом, зависит от числа применяемых разрядов, т. е. от числа битов (0 и 1) в комбинации, выражающей число. В общем случае число значений m какой-либо величины (например, число уровней интенсивности света), которое

148

можно выразить двоичным кодом, зависит от числа используемых битов:

m = 2n ,

где m – количество значений яркостей (полутонов, цветов), n – число используемых битов.

Основы представления изображения в компьютере. Очень важно понять, как видеоданные располагаются в памяти компьютера. Значения яркости каждой точки изображения находятся в памяти компьютера, как и любая информация, в виде двоичного кода. Яркость каждого элемента полутонового изображения выражается численным значением.

Оцифрованное полутоновое изображение, например, состоит из 640х480=307200 таких численных значений. Они располагаются в памяти компьютера последовательно в виде матрицы чисел, где каждой точке изображения соответствует определенное значение яркости. При этом значение яркости элемента, расположенного в левом верхнем углу экрана, соответствует началу отсчета. Затем следует 639 элементов первой строки, за ними – 640 элементов второй строки и т. д.

Небольшой фрагмент изображения будет выглядеть следующим образом:

Такая таблица называется битовой картой (Bitmap). Слово «карта» – синоним слова «таблица», а слово «бит» – это минимальная единица информации (она имеет два состояния: 0 и 1). Задавая номера строк и столбцов, можно однозначно идентифицировать элементы изображения. Если, например, указывается элемент (3, 0), то это самый левый элемент в строке 3 с численным значением 23.

Цветные изображения представляются в памяти компьютера аналогичным образом, только в этом случае каждый элемент изоб-

149

ражения определяется тремя компонентами сигнала для красной, зеленой и синей составляющей цвета.

Основы технологии печати изображений. Техника компью-

терной печати состоит в нанесении тем или иным образом отдельных точек на бумагу. Выводные устройства (принтеры) формируют изображение из дискретных монотонно окрашенных точек. Практически любое выводное устройство способно работать только в «двоичном» режиме: либо краска в данной точке есть, либо ее нет. Струйные и лазерные принтеры не в состоянии закрасить точку наполовину, чтобы она не была ни черной, ни белой, а имела ка- кой-либо оттенок серого цвета. Исключение составляют только термодиффузионные принтеры, которые требуют применения особой бумаги, и печатные машины глубокой печати; однако их доля в общем парке оборудования невелика (3-4 %).

Поскольку непосредственное воспроизведение полутонов струйными и лазерными принтерами невозможно, их, какправило, приходится имитировать. Это достигается с помощью метода, который называется растрированием. Как и в полиграфии, полутона передаются за счет растровой решетки, состоящей из черных точек и белых промежутков между ними, и чем больше размер черной точки, тем темнее получается изображение в данном месте. При этом расстояние между центрами точек остается неизменным, меняется только диаметр точки.

Растровая решетка печатается на бумаге под углом 45о. Поскольку глаз человека распознает наклонные линии значительно хуже, чем горизонтальные и вертикальные, такое расположение позволяет добиться более высокой однородности при имитации полутонов. На рис. 38 представлен увеличенный фрагмент отпечатанного изображения.

Рис. 38. Растровая решетка, расположенная под углом 45о

150