ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН 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 дисплей компьютера) или сам объект.
Как и в случае с управлением цветом, каждое устройство в приведенной 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 с точки зрения падающего и отраженного света; оба вносят свой вклад в динамический диапазон сцены (см. руководство по «измерению экспозиции и экспозиции камеры»).
Сцены с высокой вариацией отражательной способности, например, содержащие черные объекты в дополнение к сильным отражениям, на самом деле могут 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). Приблизительные значения для часто встречающихся источников света показаны ниже.
Здесь мы видим огромные вариации, возможные для падающего света, поскольку приведенная выше диаграмма масштабирована до десятичной степени. Если сцена была неравномерно освещена как прямым, так и отраженным солнечным светом, это само по себе 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(ограничен шумом)
Уровень белого(Насыщенный фотосайт)
Уровень темного белого(Фотосайт с малой емкостью)
Фотосайты можно представить себе 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 фотообъекты могут содержать больший диапазон фотонов, динамический диапазон цифровых зеркальных камер обычно выше, чем у компактных камер. (из-за большего размера пикселей).
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 считать 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.
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 диафрагма, которая описывает общий световой диапазон в степени двойки. Таким образом, коэффициент контрастности 1024:1 также может быть описан как имеющий динамический диапазон в 10 ступеней диафрагмы. (поскольку 2 =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 вместо этого он описывается с точки зрения плотности (D). Это полезно, потому что концептуально похоже на то, как пигменты создают оттенки в печатных материалах, как показано ниже.
 |  |  | |
| Низкий коэффициент отражения (высокая плотность) | Высокий коэффициент отражения (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) за вычетом минимальной плотности пигмента (D). 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 соответствует коэффициенту контрастности 1000:1 (поскольку 10 =1000).
| Динамический диапазон оригинала | <тд рядов ="3">
|---|
| Динамический диапазон сканера |
Вместо того, чтобы указывать общую плотность (D), производители сканеров обычно указывают только значение D, поскольку DD приблизительно равно D. Это связано с тем, что, в отличие от цифровых камер, сканер имеет полный контроль над своим источником света, гарантируя, что минимальный фотосайт происходит насыщение.
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 измеряемый D 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 вверху: | |||
|---|---|---|---|
| Печатные СМИ | Сканеры | Цифровые камеры | 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 цифр; 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 , так как нет стандарта производителя для их перечисления. 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 составляет от 10 до 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. учебное пособие «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 точности в битах, аналогично 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.
| Разрядность аналого-цифрового преобразователя | Коэффициент контрастности | Динамический диапазон | |
|---|---|---|---|
| диафрагма | Плотность | ||
| 8 | 256:1 | 8 | 2.4 |
| 10 | 1024:1 | <тд>10 <тд>3.0||
| 12 | 4096:1 | 12 | <тд>3.6|
| 14 | 16384:1 | 14 | <тд>4.2|
| 16 | 65536:1 | 16 | <тд>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 ограничивает, и это относится только к линейным аналого-цифровым преобразователям.
Например, 10-битная тональная точность соответствует возможному диапазону яркости от 0 до 1023 (поскольку 2 =1024 уровня). Предполагая, что число каждого аналого-цифрового преобразователя пропорционально фактической яркости изображения (это означает, что удвоенное значение пикселя соответствует удвоенной яркости), 10-битная точность может кодировать только коэффициент контрастности 1024:1.
Большинство цифровых камер используют аналого-цифровой преобразователь 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; Обычно от камеры можно ожидать 8–12 ступеней.
ВЛИЯНИЕ ТИПА ИЗОБРАЖЕНИЯ И ТОНАЛЬНОЙ КРИВОЙ
Могут ли файлы цифровых изображений действительно записывать полный динамический диапазон высокопроизводительных 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. Проблема заключается в удобстве использования этого динамического диапазона; если слишком мало бит распределено по слишком большому диапазону тонов, это может привести к постеризации изображения.
С другой стороны, отображаемый динамический диапазон зависит от гамма-коррекции или тональной кривой, подразумеваемой файлом изображения или используемой видеокартой и устройством отображения. Используя гамму 2,2 (стандарт для ПК), теоретически возможно закодировать динамический диапазон почти в 18 ступеней диафрагмы (см. руководство по гамма-коррекции, которое будет добавлено). Опять же, это будет страдать от сильной постеризации. Единственным современным стандартным решением для кодирования почти бесконечного динамического диапазона (без видимой постеризации) является использование файлов изображений с расширенным динамическим диапазоном (HDR) в Photoshop (или другой поддерживающей программе).
