РЕСТАВРАЦИЯ ГОРИЦКИХ ФОТОГРАФИЙ С. М. ПРОКУДИНА-ГОРСКОГО

главная

Повезло

Кто и как реставрировал снимки

Программа RGB-мастер

Галерея

Автоматическая реставрация снимков

Восстановить один или несколько горицких снимков Прокудина-Горского можно было вручную. Но перед компьютерным специалистом реставрация такого рода изображений ставит ряд нетривиальных научно-технических задач. Мне эти задачи показались очень интересными. Тем более, что в конце 2005 года мы занялись компьютерной обработкой изображений, в том числе аэрофотоснимков, полученных с беспилотных летательных аппаратов. Поэтому для реставрации снимков Прокудина-Горского была написана специальная программа, названная RGB-мастер.

Сведение цветовых каналов

Первая задача - сведение цветовых каналов, которые представлены на оригинальных фотопластинках С. М. Прокудина-Горского тремя черно-белыми кадрами, снятыми через красный, зеленый и синий светофильтры. Каждый с помощью Фотошопа может попробовать и убедиться, что при совмещении одной  (например, центральной) точки всех трех каналов другие точки не совпадут. Не помогут и повороты каналов друг относительно друга.

При совмещении точек в центре снимка на краях остаются расхождения

Причины несовпадения до конца не известны. Специалисты центра компьютерных технологий реставрации РАН исходили из того, что источником расхождений являются пространственные отклонения фотопластинки при последовательной съемке трех кадров. Отсюда их способ решения задачи о совмещении цветов - вычисление параметров центральной проекции, компенсирующих несовпадение. Отклонения такой природы, безусловно, имеют место. Но утверждать, что причина несовпадения только в них было бы опрометчиво. Источником несовпадений могут быть также хроматические аберрации - неодинаковое преломление объективом лучей с разной длиной волны. Нельзя исключать и деформацию эмульсионного слоя фотопластинок за почти 100 лет. Исходя из того, что природа несовпадений в точности не известна, в программе RGB-мастер реализован общий алгоритм аппроксимации, не опирающийся на какие-либо гипотезы о природе искажений.

Подвижные объекты

Три кадра, которые делал Прокудин-Горский для получения цветной фотографии, выполнялись с интервалом не меньше секунды. За это время  в ветреную погоду успевают уплыть облака, пасущиеся кони могут переставить ноги или поднять голову... Даже люди, которых фотограф специально просил позировать, оставаясь неподвижными, могут немного пошевелить головой или, например, наклонить тарелку с ягодами, которую держат в руках (ох уж эти крестьянские девушки).

Неподвижные объекты совмещены, движение облаков осталось не компенсировано
(результат трансформации с помощью программы RGB-мастер с отключенной обработкой подвижных объектов)

Разумеется, если какие-то объекты передвинулись за время съемки слишком сильно, автоматически свести их изображения с разных каналов, как правило, не представляется возможным. Но если смещение невелико, то автоматическая коррекция возможна.

Три мужичка, мирно беседующие около крылечка, за время съемки успели перебежать
Вряд ли их изображения с разных каналов можно совместить автоматически

При автоматическом (или полуавтоматическом) сведении цветовых каналов возможны разные подходы к обработке подвижных объектов.

В программах Центра компьютерных технологий в реставрации РАН компенсация перемещения подвижных объектов не выполнялась. Преобразование изображений выполнялось по опорным точкам, расположенным только на неподвижных объектах. Расхождения, обусловленные перемещением объектов, в этом случае остаются и на восстановленном снимке.

Пример преобразования подвижных объектов по методу Blaise Agüera y Arcas

Алгоритм, использованный проф. Blaise Agüera y Arcas, напротив, выполняет локальные преобразования, в которых участвуют как подвижные так и неподвижные объекты.

Иногда это дает хороший результат для подвижных объектов. Но может быть и причиной ошибок. По-видимому, именно из-за того, что были использованы опорные точки на облаках, в правой части фотографии общего вида Горицкого монастыря получилось такое большое смещение цветовых каналов. (см. здесь).

В программе RGB-мастер использован комбинированный подход. Вначале выполняется преобразование красного и синего каналов для компенсации глобальных несовпадений. При этом используются опорные точки, выбранные на неподвижных объектах. Затем для подвижных объектов выполняются локальные трансформации (морфинг).

Во время съемки тарелка в руках девушки пошевелилась.
Слева - реставрация Вальтера Франкхаузера.
Справа - реставрация с помощью программы
RGB-мастер

Выбор опорных точек

При автоматизированном совмещении цветовых каналов необходимо на трех кадрах задать набор точек, которые должны после совмещения совпасть. Выбор точек может выполняться автоматически или вручную.

При совмещении цветов в Центре цифровых технологий реставрации РАН использовался автоматический поиск опорных точек с последующим контролем оператором-лаборантом. Технология Blaise Agüera y Arcas также предполагает, что опорные точки обнаруживаются автоматически. Автоматизация назначения опорных точек позволяет повысить производительность обработки снимков.

Программа RGB-мастер предусматривает выбор опорных точек вручную. Это обусловлено несколькими причинами. Во-первых, реализация алгоритма автоматического обнаружения требует немалых усилий и времени, но в то же время не гарантирует корректности выбора точек. Во-вторых, в программе RGB-мастер реализован выбор точек с субпиксельной точностью. То есть координаты выбранных точек не обязаны быть целыми числами, а могут быть заданы в интерактивном режиме с точностью до 0.2 пикселя при использовании специальной "лупы". Это позволяет решать задачу совмещения с большей точностью. Наконец, как уже говорилось, программа RGB-мастер предусматривает как совмещение цветов по неподвижным объектам, так и трансформацию подвижных объектов. В этих условиях ручной выбор опорных точек обеспечивает лучшее качество совмещения и большую гибкость при работе с подвижными объектами.

Устранение дефектов

На оригиналах снимков С. М. Прокудина-Горского и, соответственно, на сканах с этих оригиналов имеется множество дефектов - царапин, пятен.

Мне не известно ни одной попытки автоматического устранения таких дефектов. Между тем, то, что цветовые каналы физически разделены - это три отдельных кадра, создает предпосылки для автоматического распознавания дефектов. Действительно, царапина, которая есть на кадре, сделанном, например, через красный светофильтр, отсутствует на двух других кадрах. Это облегчает ее обнаружение.

В программе RGB-мастер реализован оригинальный алгоритм устранения дефектов, который показал хорошие результаты. Разумеется, невозможно рассчитывать на то, что автоматически будут устранены все дефекты. Даже для человека бывает не всегда очевидно, имеем ли мы дело с дефектом или это часть изображения объекта съемки. Есть и обратная проблема. Если подавление дефектов будет слишком агрессивным, могут пострадать части изображения, которые будут ошибочно приняты за дефекты.

Использование альтернативных программ

Задача совмещения цветовых каналов на снимках С. М. Прокудина-Горского родственна некоторым другим задачам обработки изображений: склейка панорам, совмещение снимков, сделанных с брекетингом экспозиции для расширения динамического диапазона. Поэтому для совмещения цветов на снимках Прокудина-Горского можно пытаться использовать программы, предназначенные для склейки панорам и получения фотографий с расширенным динамическим диапазоном.

Мною была предпринята попытка использовать программу Panorama Tools - самый, пожалуй, продвинутый инструмент для склейки панорам. Однако эти опыты, выполнявшиеся с помощью PTAssembler - графической надстройки над Panorama Tools, к успеху не привели. Возможно,  я просто не справился с этими инструментами.

С. Свердлов
22 мая 2006 г.