Динамический диапазон в цифровой фотографии
Динамический диапазон в фотографии описывает соотношение между максимальной и минимальной измеримой интенсивностью света (белым и чёрным, соответственно). В природе не существует абсолютно белого или чёрного — только различные степени интенсивности источника света и отражательной способности предмета. В силу этого концепция динамического диапазона усложняется и зависит от того, описываете ли вы записывающий прибор (такой как камера или сканер), воспроизводящий (такой как отпечаток или дисплей компьютера) или собственно предмет.
Как и при управлении цветом, каждое устройство в приведенной выше цепи передачи изображения имеет свой собственный динамический диапазон. В отпечатках и дисплеях ничто не может стать ярче, чем белизна бумаги или максимальная интенсивность пикселя, соответственно. По сути, ещё один прибор, который не был упомянут выше, это наши глаза, у которых тоже есть свой собственный динамический диапазон. Передача информации из изображения между устройствами таким образом может повлиять на его воспроизведение.
Следовательно, концепция динамического диапазона полезна для относительного сравнения исходной сцены, вашей камеры и изображения на вашем экране или на отпечатке.
Влияние света: освещённость и отражение
Интенсивность освещения может быть описана в терминах падающего и отражённого света; каждый из них вносит свою лепту в динамический диапазон сцены (см. статью «Как цифровые камеры замеряют экспозицию»).
| Сильное отражение | Неравномерно падающий свет |
Сцены с высокими вариациями яркостей отражённого света, например, содержащие чёрные объекты вдобавок к сильным отражениям, могут в действительности иметь более широкий динамический диапазон, чем сцены с большой вариативностью падающего света. В любом из этих случаев фотографии могут запросто превысить динамический диапазон вашей камеры, особенно если не следить за экспозицией.
Точное измерение интенсивности света, или освещённости, следовательно, является критическим для оценки динамического диапазона.
Здесь мы используем термин «освещённость», чтобы определить исключительно падающий свет. Как освещённость, так и яркость обычно измеряются в канделах на квадратный метр (кд/м
Здесь мы видим, что возможны большие вариации в падающем свете, поскольку вышеприведенная диаграмма отградуирована в степенях десяти. Если сцена неравномерно освещена как прямым, так и рассеянным солнечным светом, одно это может невероятно расширить динамический диапазон сцены (как видно из примера с закатом в каньоне с частично освещённой скалой).
Цифровые камеры
Несмотря на то, что физический смысл динамического диапазона в реальном мире — это всего лишь соотношение между наиболее и наименее освещёнными участками (контраст), его определение становится более сложным при описании измерительных приборов, таких как цифровые камеры и сканеры. Вспомним из статьи о сенсорах цифровых камер, что свет сохраняется каждым пикселем в своего рода термосе.
| Уровень чёрного (ограничен шумом) | Уровень белого (полный термос) | Меньший уровень белого (термос малого объёма) |
Фотопиксели удерживают фотоны, как термосы сохраняют воду. Следовательно, если термос переполняется, вода выливается наружу. Переполненный фотопиксель называют насыщенным, и он неспособен распознать дальнейшее поступление фотонов — тем самым определяя уровень белого камеры. Для идеальной камеры её контраст в таком случае определялся бы числом фотонов, которое может быть накоплено каждым из фотопикселей, поделенным на минимальную измеримую интенсивность света (один фотон). Если в пикселе может сохраниться 1000 фотонов, контрастность будет 1000:1. Поскольку ячейка большего размера может накопить больше фотонов, 
Примечание: в некоторых цифровых камерах существует дополнительная настройка низкого ISO, которая снижает шум, но также и сужает динамический диапазон. Это происходит потому, что такая настройка в действительности переэкспонирует изображения на одну ступень и впоследствии обрезает яркости — увеличивая таким способом светосигнал. Примером могут служить многие камеры Canon, которые имеют возможность снимать в ISO 50 (ниже обычного ISO 100).
В действительности потребительские камеры не могут подсчитать фотоны. Динамический диапазон ограничен наиболее тёмным тоном, для которого более невозможно различить текстуру — его называют уровнем чёрного. Уровень чёрного ограничен тем, насколько точно можно измерить сигнал в каждом фотопикселе и, следовательно, ограничен снизу уровнем шума. В результате динамический диапазон как правило увеличивается при снижении числа ISO, а также у камер с меньшей погрешностью измерения.
Примечание: даже если бы фотопиксель мог подсчитать отдельные фотоны, подсчёт тем не менее был бы ограничен фотонным шумом.
Фотонный шум создаётся статистическими колебаниями и представляет теоретический минимум шума. Итоговый шум является суммой фотонного шума и погрешности считывания.
В целом, динамический диапазон цифровой камеры таким образом может быть описан как соотношение между максимальной (при насыщении пикселя) и минимальной (на уровне погрешности считывания) измеримой интенсивностью света. Наиболее распространённой единицей измерения динамического диапазона цифровых камер является f-ступень, которая описывает разницу в освещённости в степенях числа 2. Контраст 1024:1 в таком случае может быть также описан как динамический диапазон из 10 f-ступеней (поскольку 2
Сканеры
Сканеры оцениваются по тому же соотношению насыщенности и шума, как и динамический диапазон цифровых камер, за исключением того, что они описываются в терминах плотности (D). Это удобно, поскольку концептуально аналогично тому, как пигменты создают цвет на отпечатке, как показано ниже.
| Слабое отражение (высокая плотность) | Сильное отражение (низкая плотность) | Высокая плотность пигмента (тёмный тон) | Низкая плотность пигмента (светлый тон) |
Общий динамический диапазон в терминах плотности таким образом выглядит как разница между максимальной (Dmax) и минимальной (Dmin) плотностями пигмента. В отличие от степеней 2 для f-ступеней, плотность измеряется в степенях 10 (так же, как и шкала Рихтера для землетрясений). Таким образом, плотность 3.0 представляет контраст 1000:1 (поскольку 103.0 = 1000).
| Исходный динамический диапазон | |
|---|---|
| Динамический диапазон сканера |
Вместо указания диапазона плотности производители сканеров обычно указывают только значение Dmax, поскольку Dmax — Dmin обычно приблизительно равно Dmax.
Это потому, что в отличие от цифровых камер, сканер контролирует свой источник света, гарантируя минимальную засветку.
Для высокой плотности пигмента к сканерам применимы те же ограничения по шуму, что и для цифровых камер (поскольку оба они используют массив фотопикселей для измерения). Таким образом, измеримая Dmax тоже определяется шумом, присутствующим в процессе считывания светосигнала.
Сравнение
Динамический диапазон варьируется настолько широко, что его часто измеряют логарифмической шкалой, аналогично тому как крайне различные интенсивности землетрясений измеряются одной шкалой Рихтера. Здесь приведен максимальный измеримый (или воспроизводимый) динамический диапазон для различных устройств в любых предпочитаемых единицах (f-ступени, плотность и соотношение контраста). Наведите курсор на каждый из вариантов, чтобы их сравнить.
| Выберите единицу измерения: | ||
|---|---|---|
| f-ступени | плотность | контрастность |
| Выберите тип диапазона: | |||
|---|---|---|---|
| Печать | Сканеры | Цифровые камеры | Мониторы |
Обратите внимание на огромную разницу между воспроизводимым динамическим диапазоном печати и измеримым сканерами и цифровыми камерами.
Сравнивая с реальным миром, это разница между примерно тремя f-ступенями в облачный день с практически ровным отражённым светом и 12 и более f-ступенями в солнечный день с высококонтрастным отражённым светом.
Использовать вышеуказанные цифры следует с осторожностью: в действительности динамический диапазон отпечатков и мониторов сильно зависит от условий освещения. Отпечатки при неверном освещении могут не показать свой полный динамический диапазон, тогда как мониторы требуют практически полной темноты, чтобы реализовать свой потенциал — особенно плазменные экраны. Наконец, все эти цифры являются всего лишь грубыми приближениями; реальные значения будут зависеть от наработки прибора или возраста отпечатка, поколения модели, ценового диапазона и т.д.
Учтите, что контрастность мониторов зачастую сильно завышена, поскольку для них не существует стандарта производителя. Контрастность свыше 500:1 зачастую является результатом очень тёмной чёрной точки, а не более яркой белой.
В связи с этим нужно уделять внимание как контрастности, так и яркости. Высокая контрастность без сопутствующей высокой яркости может быть полностью сведена на нет даже рассеянным светом от свечи.
Человеческий глаз
Человеческий глаз может в действительности воспринимать более широкий динамический диапазон, чем это обычно возможно для камеры. Если учитывать ситуации, в которых наш зрачок расширяется и сужается, адаптируясь к изменению света, наши глаза способны видеть в диапазоне величиной почти 24 f-ступеней.
С другой стороны, для корректного сравнения с одним снимком (при постоянной диафрагме, выдержке и ISO) мы можем рассматривать только мгновенный динамический диапазон (при неизменной ширине зрачка). Для полной аналогии нужно смотреть в одну точку сцены, дать глазам адаптироваться и не смотреть при этом ни на что другое. В этом случае существует большая несогласованность, поскольку чувствительность и динамический диапазон наших глаз меняется в зависимости от яркости и контраста.
Наиболее вероятным будет диапазон из 10-14 f-ступеней.
Проблема этих чисел в том, что наши глаза исключительно адаптивны. Для ситуаций исключительно неяркого звёздного света (когда наши глаза используют палочки для ночного видения) они достигают даже более широких мгновенных динамических диапазонов (см. «Цветовое восприятие человеческого глаза»).
Глубина цветности и измерение динамического диапазона
Даже если бы чья-то камера могла охватить большую часть динамического диапазона, точность, с которой измерения света преобразуются в цифры, может ограничить применимый динамический диапазон. Рабочая лошадка, которая занимается преобразованием непрерывных результатов измерений в дискретные числовые значения, называется аналогово-цифровым преобразователем (АЦП). Точность АЦП может быть описана в терминах разрядности, аналогично разрядности цифровых изображений, хотя следует помнить о том, что эти концепции неявляются взаимозаменяемыми. АЦП создаёт значения, которые хранятся в файле формата RAW.
| Разрядность АЦП | Контрастность | Динамический диапазон | |
|---|---|---|---|
| f-ступени | плотность | ||
| 8 | 256:1 | 8 | 2.4 |
| 10 | 1024:1 | 10 | 3.0 |
| 12 | 4096:1 | 12 | 3.6 |
| 14 | 16384:1 | 14 | 4.2 |
| 16 | 65536:1 | 16 | 4.8 |
Примечание: вышеприведенные значения отражают только точность АЦП и не должны
использоваться для интерпретации результатов для 8 и 16-битных файлов изображений.
Далее, для всех значений показан теоретический максимум, как если бы шум отсутствовал.
Наконец, эти цифры справедливы только для линейных АЦП, а разрядность
нелинейных АЦП необязательно коррелирует с динамическим диапазоном.
В качестве примера, 10 бит глубины цветности преобразуются в диапазон возможных яркостей 0-1023 (поскольку 210 = 1024 уровня).
Предполагая, что каждое значение на выходе АЦП пропорционально актуальной яркости изображения (то есть, удвоение значения пикселя означает удвоение яркости), 10-битная разрядность может обеспечить контрастность не более 1024:1.
Большинство цифровых камер используют АЦП с разрядностью от 10 до 14 бит, так что их теоретически достижимый максимальный динамический диапазон составляет 10-14 ступеней. Однако такая высокая разрядность всего лишь помогает минимизировать постеризацию изображения, поскольку общий динамический диапазон обычно ограничен уровнем шума. Подобно тому, как большая разрядность изображения необязательно подразумевает большую глубину его цветности, наличие в цифровой камере высокоточного АЦП необязательно означает, что она в состоянии записать широкий динамический диапазон. На практике динамический диапазон цифровой камеры даже не приближается к теоретическому максимуму АЦП; в основном 5-9 ступеней — это всё, чего можно ожидать от камеры.
Влияние типа изображения и кривая цветности
Могут ли файлы цифровых изображений в действительности записать полный динамический диапазон высококлассных приборов? В интернете наблюдается большое непонимание взаимосвязи разрядности изображения с записываемым динамическим диапазоном.
Для начала следует разобраться, говорим мы о записываемом или отображаемом динамическом диапазоне. Даже обыкновенный 8-битный файл формата JPEG может предположительно записать бесконечный динамический диапазон — предполагая, что во время преобразования из формата RAW была применена кривая цветности (см. статью о применении кривых и динамическом диапазоне), и АЦП имеет требуемую разрядность. Проблема кроется в использовании динамического диапазона; если слишком малое число бит распространить на слишком большой диапазон цвета, это может привести к постеризации изображения.
С другой стороны, отображаемый динамический диапазон зависит от коррекции гаммы или кривой цветности, подразумеваемой файлом изображения или используемой видеокартой и монитором. Используя гамму 2.2 (стандарт для персональных компьютеров), было бы теоретически возможно передать динамический диапазон из практически 18 f-ступеней (об этом расскажет глава о коррекции гаммы, когда будет написана). И даже в этом случае он мог бы пострадать от сильной постеризации.
Единственным на сегодня стандартным решением для получения практически бесконечного динамического диапазона (без видимой постеризации) является использование файлов расширенного динамического диапазона (HDR) в Photoshop (или другой программе, например, с поддержкой формата OpenEXR).
Что такое динамический диапазон камеры, и в чем может быть выгода для фотографа?
by Cal Redback
Динамический диапазон является одним из многих параметров, на которые обращают внимание все, кто покупает или обсуждает фотокамеру. В различных обзорах часто используется этот термин наряду с параметрами шума и разрешения матрицы. Что же обозначает этот термин?
Не должно быть секретом, что динамический диапазон фотоаппарата – это способность камеры к распознаванию и одновременной передаче светлых и темных деталей снимаемой сцены.
Если говорить более детально, то динамический диапазон камеры – это охват тех тонов, которые она может распознать между черным и белым.
Чем больше динамический диапазон, тем больше этих тонов могут быть записаны и тем больше деталей может быть извлечено из темных и светлых участков снимаемой сцены.
Динамический диапазон обычно измеряется в значениях экспозиции, или стопах. Хотя вроде бы и очевидно, что важным является возможность захватить наибольшее, насколько это возможно, число тонов, для большинства фотографов приоритетной остается цель – попытаться создать приятный образ. А это как раз не означает, что необходимо, чтобы была видна каждая деталь изображения. Например, если темные и светлые детали изображения будут разбавлены серыми полутонами, а не черными или белыми, то вся картинка будет иметь очень низкую контрастность и выглядеть довольно скучно и нудно. Ключевыми являются границы динамического диапазона фотокамеры и понимание как можно использовать его для создания фотографий с хорошим уровнем контрастности и без т.н. провалов в светах и тенях.
Что видит камера?
Каждый пиксель в изображении представляет один фотодиод на сенсоре камеры.
Фотодиоды собирают фотоны света и превращают их в электрический заряд, который затем преобразуется в цифровые данные. Чем больше фотонов, которые собираются, тем больше электрический сигнал и тем ярче будет в изображении пиксель. Если фотодиод не собирает никаких фотонов света, то никакой электрический сигнал не будет создан и пиксель будет черным.
датчик 1 дюйм
датчик APS-C
Тем не менее, датчики бывают различных размеров и разрешений, а также при их производстве используются различные технологии, которые влияют на размер фотодиодов каждого датчика.
Если рассматривать фотодиоды как ячейки, то можно провести аналогию с наполнением. Пустой фотодиод будет воспроизводить черный пиксель, в то время как 50% от полного покажет серый цвет и заполненный на 100% будет белым.
Скажем, мобильные телефоны и компактные камеры имеют очень маленькие датчики изображения по сравнению с DSLR. Это означает, что они также имеют гораздо меньшие фотодиоды на датчике.
Таким образом, даже при том, что и компактная камера, и DSLR может иметь датчик 16-миллионов пикселей, динамический диапазон будет отличаться.
Чем больше фотодиод, тем больше его способность хранить фотонов света по сравнению с меньшим размером фотодиода в меньшем датчике. Это означает, что чем больше физический размер, тем диод может лучше записывать данные в светлых и темных областях
Наиболее распространена аналогия, что каждый фотодиод похож на ведро, которое собирает свет. Представьте себе, что 16 миллионов ведер занимаются сбором света по сравнению с 16 млн. чашек. Ведра имеют больший объем, за счет которого способны собрать большее количество света. Чашки гораздо меньшей емкости, поэтому при наполнении могут передать фотодиоду гораздо меньший по мощности импульс, соответственно пиксель может воспроизводиться с гораздо меньшим количеством световых фотонов, чем получается от более крупных фотодиодов.
Что это означает на практике? Камеры с меньшими размерами датчиков, такие как в смартфонах или потребительские компакты, имеют меньший динамический диапазон, чем даже самый компактный фотоаппарат из системных камер или зеркалок, которые используют большие датчики.
Тем не менее, важно помнить, что влияет на ваши изображения общий уровень контраста в сцене, которую вы фотографируете.
В сцене с очень низкой контрастностью разница в тональном диапазоне, захваченном камерой мобильного телефона и DSLR, может быть мала или вообще не различима. Датчики обеих камер способны захватывать полный диапазон тонов сцены, если свет выставлен правильно. Зато при съемке высококонтрастных сцен будет очевидным, что, чем больше динамический диапазон, тем большее количество полутонов он способен передать. И так как более крупные фотодиоды имеют лучшую способность при записи более широкого диапазона тонов, следовательно, и имеют больший динамический диапазон.
Давайте посмотрим разницу на примере. На фотографиях ниже можно наблюдать отличия в передаче полутонов камерами с разным динамическим диапазоном при одинаковых условиях высокой контрастности освещения.
Что такое разрядность изображения?
Разрядность тесно связана с динамическим диапазоном и диктует камере какое количество тонов может быть воспроизведено в изображении.
Хотя цифровые снимки полноцветные по умолчанию, и они не могут быть сняты не цветными, датчик камеры на самом деле не записывает непосредственно цвет, он просто записывает цифровое значение для количества света. Например, 1-битное изображение содержит самую простую «инструкцию» для каждого пикселя, поэтому в данном случае есть только два возможных конечных результата: черный или белый пиксель.
-битное изображение состоит уже из четырех различных уровней (2×2). Если оба бита равны – это белый пиксель, если оба выключены, то это черный. Есть также возможность иметь два варианта, что на изображении будет соответственное отражение еще двух тонов. Двухбитное изображение дает черно-белый цвет плюс два оттенка серого.
Если изображение 4-битное, соответственно существует 16 возможных комбинаций в получении различных результатов (2x2x2x2).
Когда дело доходит до обсуждения цифровых изображений и датчиков, чаще всего можно услышать о 12, 14 и 16-битных датчиках, каждый из которых способен записывать 4096, 16384 и 65536 различных тонов соответственно.
Чем больше битовая глубина, тем большее количество значений яркости или тона может быть записано с помощью датчика.
Но и тут кроется подвох. Не все камеры способны воспроизводить файлы с такой глубиной цвета, которую может позволить создать датчик. Например, на некоторых камерах Nikon исходные файлы могут быть как 12 бит, так и 14 бит. Дополнительные данные в 14-битных изображениях означают, что в файлах, как правило, больше деталей в светлых и темных областях. Так как размер файла больше, то и времени на обработку и сохранение тратится больше. Сохранение необработанных изображений 12-битных файлов происходит быстрее, но тональный диапазон изображения из-за этого сжимается. Это означает, что некоторые очень темные серые пиксели будут отображаться как черные, а некоторые светлые тона могут выглядеть как полноценный белый цвет.
Когда происходит съемка в формате JPEG, файлы сжимаются еще больше. Изображения JPEG являются 8-разрядными файлами, состоящими из 256 различных значений яркости, поэтому многие из мелких деталей, доступных для редактирования в исходных файлах, снятых в RAW-формате, полностью теряются в файле JPEG.
Таким образом, если у фотографа имеется возможность получить наиболее полную отдачу от всего возможного динамического диапазона фотокамеры, то лучше сохранять исходники в «сыром» виде – с максимально возможной битовой глубиной. Это означает, что снимки будут хранить наибольшее количество информации о светлых и темных областях, когда дело коснется редактирования.
Чем понимание динамического диапазона фотокамеры важно для фотографа? Исходя из имеющейся информации, можно сформулировать несколько прикладных правил, придерживаясь которых, повышается вероятность получения хороших и качественных изображений в трудных условиях для фотосъемки и избегать серьезных ошибок и недочетов.
- Лучше снимок сделать более светлым, чем перетемнить его. Детали в светах «вытягиваются» проще, потому что они не такие шумные, как детали в тени. Безусловно, что правило действует при условиях более-менее правильно выставленной экспозиции.
- При замере экспозиции по темным областям лучше жертвовать детализацией в тенях, более тщательно проработав света.
- При большой разнице в яркости отдельных участках снимаемой композиции экспозицию следует замерять по темной части. При этом желательно выравнивать по возможности общую яркость поверхности изображения.
- Оптимальное время для съемки считается утреннее или вечернее, когда свет распределяется равномерней, чем в полдень.
- Портретная съемка пройдет лучше и легче, если использовать дополнительное освещение с помощью выносных вспышек для фотокамеры (например, купить современные накамерные вспышки http://photogora.ru/cameraflash/incameraflash ).
- При прочих равных следует пользоваться наименьшим из возможных значением ISO.
Что такое динамический диапазон в фотографии?
Динамический диапазон — это соотношение между самым сильным и самым слабым сигналом, измеренным в данном контексте. Например, динамический диапазон сенсора камеры — это соотношение между самым ярким и самым темным сигналом, которое может быть захвачено на одном изображении. Как и большинство других вещей в фотографии, динамический диапазон часто измеряется в стопах, где яркость на одну ступень означает вдвое больше света.
Хотя динамический диапазон можно использовать в любом контексте, где есть измеряемый сигнал, например звук, я буду говорить о динамическом диапазоне в фотографии.
Динамический диапазон сцены
Динамический диапазон сцены — это соотношение между самыми яркими и самыми тусклыми частями сцены. Конечно, использование термина «сцена» несколько расплывчато. Один из способов определить его более точно — сказать, что динамический диапазон сцены — это динамический диапазон сцены, спроецированный на поверхность через оптическую систему. Думайте о проецируемом изображении на датчик, а не о том, что записывается самим датчиком.
Сцена с низким динамическим диапазономДинамический диапазон сцены может быть любым, и он может быть даже больше, чем динамический диапазон устройства, с помощью которого вы пытаетесь записать сцену.
Динамический диапазон наших глаз
Динамический диапазон человеческого глаза немного сложнее. В отличие от камеры, глаз не просто делает снимок изображения, проецируемого на сетчатку, и сохраняет его в мозгу для просмотра.
Вместо этого мозг также выполняет сложную и мощную обработку, которая заканчивается тем, что мы сознательно воспринимаем. По сути, мозг постоянно считывает сигналы от глаз и объединяет эту информацию в единое целое.
Глядя на разные области сцены, вы можете увидеть довольно большой динамический диапазон. Со временем человеческий глаз действительно может адаптироваться к разным уровням яркости в диапазоне примерно 46,5 ступеней. Однако часть этого диапазона состоит из темных сцен, которые могут восприниматься только палочками, не чувствительными к цвету.
Panasonic G9 + Laowa 2X Macro @ 50 мм, ISO 400, 1/160, f/3,5 один раз без всякой адаптации. Измерение этой величины довольно интересно, потому что по этому поводу существуют некоторые разногласия. Например, более ранние исследования заявляли о 6,6 стопах, и это, по сути, цифра, указанная в Википедии. Однако эта цифра была получена из эксперимента, в котором измерялось время, необходимое для адаптации к быстрым изменениям цвета.
Другими словами, эта исходная цифра не была получена в ходе эксперимента, предназначенного специально для измерения динамического диапазона. Эта цифра также была указана в книге Роберта Л. Майерса, что может объяснить, почему ее так часто цитируют.
Исследователи из Бристольского университета на самом деле разработали надлежащий эксперимент для прямого измерения одновременного динамического диапазона глаза и получили среднее значение 12,4 ступени.
Динамический диапазон камер
Наконец, мы подошли к самому важному в жизни: динамическому диапазону сенсора вашей камеры. Это отношение между максимальным сигналом, который может быть зафиксирован датчиком, и минимальным шумом датчика. Минимальный уровень шума — это, по сути, точка, в которой часть изображения будет неотличима от изображения, снятого при полном отсутствии света, попадающего на матрицу. Фотопросветление!
Иногда люди используют другие измерения динамического диапазона, так как темные части изображения все еще могут быть выше, чем этот минимальный уровень шума, но при этом они довольно бесполезны с фотографической точки зрения.
Однако эти мелочи выходят за рамки данной статьи.
DXOMark — это веб-сайт, на котором публикуются измерения динамического диапазона камер. Например, вот некоторые измерения при базовом значении ISO для каждой камеры:
| Полнокадровая камера | Динамический диапазон (стоп) | Камера APS-C | Динамический диапазон (стоп) | Micro 4/3rds камера | Динамический диапазон (ступени) |
|---|---|---|---|---|---|
| Canon R5 | 14,6 | Canon 77D | 13,3 | GH9055II GH9055 Panasonic GH005613,1 | |
| Sony A7IV | 14,7 | Sony A6600 | 13,4 | Olympus OM-D 5 905 E-M1 Mark II 9005 6 | |
| Nikon Z7II | 14,7 | Nikon D500 | 14,0 | Olympus Pen-F | 12,4 |
| Pentax K1 | 14,6 | Pentax K3 II | 13,6 | 5 5 100 Gh5 109 Gh Panasonic . 8 |
Динамический диапазон вашей камеры зависит от настройки ISO. Например, Sony A7IV, измеренный DXOMark, имеет динамический диапазон 14,7 ступени при базовом значении ISO и только 10,2 ступени при ISO 6400. Как правило, самый высокий динамический диапазон достигается при базовом (не расширенном) значении ISO.
Мы также видим, что динамический диапазон увеличивается с размером сенсора. Таким образом, будет легче запечатлеть динамический диапазон драматического пейзажа с помощью камеры с большим сенсором всего одним кадром, что является одной из многих причин, по которым полнокадровые камеры часто предпочитают для пейзажей.
Pentax K5 был выпущен в 2010 году и имеет динамический диапазон 14,1 На мой взгляд, эти числа определенно не так полезны, как раньше. Например, в свое время между Canon и Nikon была большая разница по динамическому диапазону. Возьмите Nikon D610 и Canon 5D Mark III, которые были выпущены примерно в одно и то же время. D610 имеет динамический диапазон 14,4 при базовом ISO согласно DXOMark, тогда как 5D Mark III имеет динамический диапазон 11,7.
Эта разница в 2,7 ступени на самом деле может быть заметна при сравнении с реальным миром, хотя, конечно, обеими камерами можно делать отличные снимки.
В наши дни любые современные полнокадровые камеры дадут вам здоровое число более 14 ступеней. Более того, существует так много других факторов, влияющих на качество изображения, что динамический диапазон сенсора не следует переоценивать.
Что вы должны знать о динамическом диапазоне
Знание того, что ваша камера имеет 14,3 ступени против 14,8 ступеней, вероятно, не поможет вам… если, возможно, вы не используете динамический диапазон вашей камеры в качестве лотерейного числа и не выигрываете. Тем не менее, есть несколько полезных вещей о динамическом диапазоне. Во-первых, когда вам показывают сцену с очень высоким динамическим диапазоном, вам нужно постараться уместить как можно больше ее в финальное изображение.
Panasonic G9 + Laowa 2X Macro @ 50 мм, ISO 200, 1/160, f/5,6 Для цифровых камер и однократной экспозиции это означает, что вы должны экспонировать вправо; Другими словами, вы должны выставлять так, чтобы самые яркие важные части вашего изображения были максимально яркими, но не были переэкспонированы.
Более того, для пейзажей вы должны делать это на базовом ISO (за исключением случаев, когда вы не можете).
С пленкой ситуация немного другая. Передержка легче восстанавливается с помощью негативной пленки, тогда как детали в тенях очень легко теряются. Это противоположность цифровым изображениям, где светлые участки легко теряются, а детали в тенях легко восстанавливаются.
Поэтому с негативной пленкой имеет смысл немного переэкспонировать, чтобы получить дополнительную детализацию в тенях. Это не относится к позитивной или слайдовой пленке, которая теряет детали при передержке, как цифровая.
Наконец, при съемке преимущественно статичных сцен, таких как множество пейзажей, съемка нескольких экспозиций и их объединение с использованием чего-то вроде метода усреднения с высоким динамическим диапазоном также увеличивает динамический диапазон. Для сцены с большим динамическим диапазоном темные области, которые в противном случае были бы слишком шумными, могут быть захвачены таким усредненным изображением без переэкспонирования светлых участков.
Заключение
В динамическом диапазоне нет ничего загадочного. Он просто говорит вам, насколько велика разница между самыми яркими и самыми темными сигналами в сцене или воспринимаемыми датчиком. В некоторых типах фотографии, таких как пейзажная фотография, динамический диапазон сцен часто бывает высоким, и поэтому важно, чтобы как можно большая его часть уместилась в конечном изображении. К счастью, современные камеры настолько хороши, что вы сможете получать отличные изображения даже в сложных условиях.
Понимание динамического диапазона в цифровой фотографии
Динамический диапазон в фотографии описывает соотношение между максимальной и минимальной измеряемой интенсивностью света (белого и черного соответственно). В реальном мире никогда не бывает настоящего белого или черного — только разные степени интенсивности источника света и отражательной способности объекта. Поэтому концепция динамического диапазона становится более сложной и зависит от того, описываете ли вы устройство захвата (например, камеру или сканер), устройство отображения (например, принтер или компьютерный дисплей) или сам объект.
Как и в случае с управлением цветом, каждое устройство в указанной выше цепочке обработки изображений имеет собственный динамический диапазон. На распечатках и компьютерных дисплеях ничто не может стать ярче бумажного белого или максимальной яркости пикселя соответственно. На самом деле еще одно устройство, не показанное выше, — это наши глаза, у которых тоже есть свой динамический диапазон. Таким образом, перевод информации об изображении между устройствами может повлиять на то, как это изображение воспроизводится. Таким образом, концепция динамического диапазона полезна для относительных сравнений между реальной сценой, вашей камерой и изображением на экране или в окончательном отпечатке.
ВЛИЯНИЕ СВЕТА: ОСВЕЩЕНИЕ И ОТРАЖАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ
Интенсивность света можно описать в терминах падающего и отраженного света; оба вносят свой вклад в динамический диапазон сцены (см. Учебник по «замеру камеры и экспозиции»).
Сцены с высокой вариацией отражательной способности, например, содержащие черные объекты в дополнение к сильным отражениям, могут фактически иметь больший динамический диапазон, чем сцены с большими вариациями падающего света.
Фотография в любом случае может легко превысить динамический диапазон вашей камеры, особенно если экспозиция не соответствует действительности.
Поэтому точное измерение интенсивности света или яркости имеет решающее значение при оценке динамического диапазона. Здесь мы используем термин освещенность для обозначения только падающего света. И освещенность, и яркость обычно измеряются в канделах на квадратный метр (кд/м 2 ). Приблизительные значения для часто встречающихся источников света показаны ниже.
Здесь мы видим огромное разнообразие, возможное для падающего света, поскольку приведенная выше диаграмма масштабирована до десятичной степени. Если сцена была неравномерно освещена как прямым, так и закрытым солнечным светом, одно это может значительно увеличить динамический диапазон сцены (как видно из примера заката в каньоне с частично освещенной скалой).
ЦИФРОВЫЕ КАМЕРЫ
Хотя смысл динамического диапазона для реальной сцены — это просто соотношение между самыми светлыми и самыми темными областями (коэффициент контрастности), его определение становится более сложным при описании измерительных устройств, таких как цифровые камеры и сканеры.
Напомним из руководства по датчикам цифровых камер, что свет измеряется в каждом пикселе в полости или лунке (фотосайте). Размер каждого фотосайта, в дополнение к тому, как измеряется его содержимое, определяют динамический диапазон цифровой камеры.
Уровень черного
(Ограничено шумом)
Уровень белого
(насыщенный фотосайт)
Darker White Level
(Фотосайт с малой емкостью)
Фотосайты можно рассматривать как ведра, содержащие фотоны, как если бы они были водой. Поэтому, если ведро станет слишком полным, оно переполнится. Говорят, что фотосайт, который переполняется, стал насыщенным и поэтому не может различать дополнительные входящие фотоны, тем самым определяя уровень белого камеры. Таким образом, для идеальной камеры коэффициент контрастности будет равен количеству фотонов, которые она может содержать в каждом фотосайте, деленному на самую темную измеримую интенсивность света (один фотон).
Если бы каждый содержал 1000 фотонов, то коэффициент контрастности был бы 1000:1. Поскольку более крупные фотосайты могут содержать большее количество фотонов, 9Динамический диапазон 0168, как правило, выше у цифровых зеркальных камер по сравнению с компактными камерами (из-за большего размера пикселя).
Техническое примечание : В некоторых цифровых камерах есть расширенная настройка низкого значения ISO, которая производит меньше шума, но также уменьшает динамический диапазон. Это связано с тем, что действующая настройка переэкспонирует изображение на полную диафрагму, но затем обрезает светлые участки, тем самым увеличивая световой сигнал. Примером этого являются многие камеры Canon, у которых чувствительность ISO-50 ниже обычной ISO-100.
На самом деле потребительские камеры не могут считать отдельные фотоны. Таким образом, динамический диапазон ограничен самым темным тоном, в котором текстура больше не различима; мы называем это уровнем черного.
Уровень черного ограничен тем, насколько точно может быть измерен каждый фотосайт, и, следовательно, в темноте ограничен шумом изображения. Таким образом, динамический диапазон обычно увеличивается для более низких значений чувствительности ISO и камер с меньшим шумом измерения .
Техническое примечание : Даже если бы фотосайт мог подсчитывать отдельные фотоны, он все равно был бы ограничен фотонным шумом. Фотонный шум создается статистическим изменением прихода фотонов и, следовательно, представляет собой теоретический минимум шума. Общий шум представляет собой сумму фотонного шума и шума считывания.
Таким образом, в целом динамический диапазон цифровой камеры можно описать как отношение максимальной измеримой интенсивности света (при насыщении пикселей) к минимальной измеримой интенсивности света (выше шума считывания). Наиболее часто используемой единицей измерения динамического диапазона в цифровых камерах является f-stop, который описывает общий световой диапазон в степени двойки.
Таким образом, контрастность 1024:1 также может быть описана как имеющая динамический диапазон 10 f-. упоры (т.к. 2 10 = 1024). В зависимости от приложения каждую единицу диафрагмы можно также описать как «зону» или «эВ».
СКАНЕРЫ
Сканеры подчиняются тому же критерию насыщения:шум, что и динамический диапазон цифровых камер, за исключением того, что он описывается с точки зрения плотности (D). Это полезно, потому что концептуально похоже на то, как пигменты создают тона в печатных материалах, как показано ниже.
| Низкий коэффициент отражения (Высокая плотность) | Высокая отражательная способность (низкая плотность) | Высокая плотность пигмента (более темный тон) | Низкая плотность пигмента (более светлый тон) |
Таким образом, общий динамический диапазон с точки зрения плотности представляет собой максимальную плотность пигмента (D max ) за вычетом минимальной плотности пигмента (D min ).
В отличие от степени 2 для диафрагмы, плотность измеряется с использованием степени 10 (так же, как шкала Рихтера для землетрясений). Таким образом, плотность 3,0 представляет коэффициент контрастности 1000:1 (поскольку 10 3,0 = 1000).
| Динамический диапазон оригинала | |
|---|---|
| Динамический диапазон сканера |
Вместо указания общей плотности (D) производители сканеров обычно указывают только значение D max , поскольку D max — D min примерно равно D max . Это связано с тем, что, в отличие от цифровых камер, сканер полностью контролирует источник света, гарантируя минимальное насыщение фотосайта.
Для высокой плотности пигмента к сканерам применяются те же ограничения по шуму, что и к цифровым камерам (поскольку они оба используют массив фотосайтов для измерения). Поэтому измеряемое значение D max также определяется шумом, присутствующим при считывании светового сигнала.
СРАВНЕНИЕ
Динамический диапазон варьируется настолько сильно, что его обычно измеряют в логарифмической шкале, подобно тому, как сильно различающиеся силы землетрясений измеряются по одной и той же шкале Рихтера. Здесь мы показываем максимальный измеримый (или воспроизводимый) динамический диапазон для нескольких устройств с точки зрения любой предпочтительной меры (диафрагменное число, плотность и коэффициент контрастности). Наведите указатель мыши на каждый из вариантов ниже, чтобы сравнить их.
| Выберите показатель для динамического диапазона: | ||
|---|---|---|
| диафрагмы | Плотность | Коэффициент контрастности |
| Выберите типы для отображения выше: | |||
|---|---|---|---|
| Печатные СМИ | Сканеры | Цифровые фотоаппараты | Устройства отображения |
Обратите внимание на огромное расхождение между воспроизводимым динамическим диапазоном отпечатков и диапазоном, измеряемым сканерами и цифровыми камерами.
Для сравнения с реальным динамическим диапазоном в сцене они варьируются от примерно 3 ступеней диафрагмы для облачного дня с почти равномерной отражательной способностью до 12+ ступеней диафрагмы для солнечного дня с очень неравномерной отражательной способностью.
Следует соблюдать осторожность при интерпретации приведенных выше чисел; реальный динамический диапазон сильно зависит от окружающего освещения для отпечатков и устройств отображения. Отпечатки, не просматриваемые при достаточном освещении, могут не отражать весь динамический диапазон, в то время как устройствам отображения требуется почти полная темнота, чтобы полностью раскрыть их потенциал, особенно для плазменных дисплеев. Наконец, эти значения являются лишь грубыми приближениями; фактические значения зависят от возраста устройства, поколения модели, ценового диапазона и т. д.
Имейте в виду, что коэффициенты контрастности для устройств отображения часто сильно преувеличены , поскольку для их перечисления не существует стандарта производителя.
Коэффициенты контрастности, превышающие 500:1, часто являются результатом очень темной черной точки, а не более яркой белой точки. По этой причине следует обращать внимание как на коэффициент контрастности, так и на яркость. Высокие коэффициенты контрастности (без соответствующей более высокой яркости) могут быть полностью сведены на нет даже окружающим светом свечи.
ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ГЛАЗ
Человеческий глаз на самом деле может воспринимать более широкий динамический диапазон, чем это обычно возможно с камерой. Если бы мы рассмотрели ситуации, когда наш зрачок открывается и закрывается при разном освещении, наши глаза могли бы видеть в диапазоне почти 24 ступеней диафрагмы.
С другой стороны, для точного сравнения с одной фотографией (при постоянной диафрагме, выдержке и ISO) мы можем учитывать только мгновенный динамический диапазон (где раскрытие нашего зрачка не изменилось). Это было бы похоже на то, если бы мы смотрели на одну область в сцене, позволяя нашим глазам адаптироваться и не глядя ни на что другое.
В этом сценарии есть много разногласий, потому что чувствительность и динамический диапазон нашего глаза на самом деле изменяются в зависимости от яркости и контраста. Большинство оценок где-то от 10-14 ступеней диафрагмы.
Проблема с этими цифрами в том, что наши глаза чрезвычайно адаптируются. В ситуациях наблюдения за звездами при экстремально слабом освещении (когда наши глаза приспособились к использованию палочек для ночного видения) наши глаза приближаются к еще более высоким мгновенным динамическим диапазонам (см. руководство «Восприятие цвета человеческим глазом»).
ГЛУБИНА И ИЗМЕРЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА
Даже если цифровая камера может захватить широкий динамический диапазон, точность, с которой измерения освещенности преобразуются в цифровые значения, может ограничить используемый динамический диапазон. Рабочая лошадка, которая переводит эти непрерывные измерения в дискретные числовые значения, называется аналого-цифровым преобразователем (A/D).
Точность аналого-цифрового преобразователя можно описать с точки зрения битовой точности, аналогичной битовой глубине цифровых изображений, хотя следует соблюдать осторожность, чтобы эти понятия не использовались взаимозаменяемо. Аналого-цифровой преобразователь — это то, что создает значения для формата файла RAW цифровой камеры.
| Bit Precision аналого-цифрового преобразователя | Коэффициент контрастности | Динамический диапазон | |
|---|---|---|---|
| диафрагмы | Плотность | ||
| 8 | 256:1 | 8 | 2,4 |
| 10 | 1024:1 | 10 | 3,0 |
| 12 | 4096:1 | 12 | 3,6 |
| 14 | 16384:1 | 14 | 4,2 |
| 16 | 65536:1 | 16 | 4,8 |
Примечание. Приведенные выше значения относятся только к точности аналого-цифрового преобразователя и не должны использоваться для интерпретации результатов для 8- и 16-битных файлов изображений.
Кроме того, указанные значения являются теоретическим максимумом, при условии, что шум не является ограничивающим фактором, и это относится только к линейным аналого-цифровым преобразователям.
Например, 10-битная тональная точность соответствует возможному диапазону яркости от 0 до 1023 (поскольку 2 10 = 1024 уровня). Предполагая, что каждый номер аналого-цифрового преобразователя пропорционален фактической яркости изображения (что означает, что удвоенное значение пикселя соответствует удвоенной яркости), 10-битная точность может кодировать только коэффициент контрастности 1024:1.
В большинстве цифровых камер используется аналого-цифровой преобразователь с разрядностью от 10 до 14 бит, поэтому их теоретический максимальный динамический диапазон составляет 10–14 ступеней. Однако такая высокая битовая глубина только помогает свести к минимуму постеризацию изображения, поскольку общий динамический диапазон обычно ограничивается уровнем шума. Подобно тому, как изображение с высокой битовой глубиной не обязательно означает, что изображение содержит больше цветов, если цифровая камера имеет высокоточный аналого-цифровой преобразователь, это не обязательно означает, что она может записывать более широкий динамический диапазон.
По сути, динамический диапазон можно рассматривать как высоту лестницы, а битовую глубину можно рассматривать как количество ступеней. На практике динамический диапазон цифровой камеры даже не приближается к теоретическому максимуму аналого-цифрового преобразователя ; 8-12 стопов — это вообще все, что можно ожидать от камеры.
ВЛИЯНИЕ ТИПА ИЗОБРАЖЕНИЯ И ТОНАЛЬНОЙ КРИВОЙ
Могут ли файлы цифровых изображений действительно записывать полный динамический диапазон высокотехнологичных устройств? Кажется, в Интернете много путаницы по поводу отношения битовой глубины изображения к записываемому динамическому диапазону.
Сначала нам нужно различать, говорим ли мы о записываемом динамическом диапазоне или отображаемом динамическом диапазоне. Даже обычный 8-битный файл изображения JPEG может предположительно записывать бесконечный динамический диапазон — при условии, что во время преобразования RAW применяется правильная тональная кривая (см. руководство по кривым в разделе мотивация: динамический диапазон) и что аналого-цифровой преобразователь имеет необходимая битовая точность.