Динамический диапазон и матрицы – Обзор новинок фототехники, видеотехники. Советы по фотосъемке.

Битовая глубина
Другой фактор качества изображения — число цветов или тонов серого, которые может иметь пиксель. Чтобы понять важность этого фактора, представьте себе две раскрашенные картинки одного цвета. Для первой с помощью серого карандаша зададим 10 градаций, окрашенные поля обозначим номерами от 1 до 10. Когда картинка будет готова, изменения тона между полями будут хорошо заметны.
Рисунок 1. ДД камеры ограничены максимальным сигналом элемента матрицы и минимальным уровнем шумов.
Для второй картинки задаем 256 различных тонов серого, отмечая поля числами от 1 до 256. При таком большом количестве серых тонов переходы незначительны и полоска кажется плавно, непрерывно окрашенной. Теперь вернемся к цифровой фотографии. Вместо карандаша у нас будут пиксели. Чем больше цветов (или тонов) передают пиксели, тем выше качество изображения.

Термин «динамический диапазон» (ДД) может сбивать с толку, так как он используется в разных фотографических ситуациях, включая ДД сцены и ДД отпечатка. Применительно к матрицам цифровых камер этот термин используется для описания широты, которую может обеспечить матрица при фиксировании деталей одновременно в областях теней и светов, т.е. в значительной мере в том же смысле, что и термин «фотографическая широта» для пленок. Более строгое определение ДД для цифровых матриц таково: ДД — это отношение между наибольшим и наименьшим регистрируемыми сигналами, которые пропорциональны наибольшему выходному сигналу элемента матрицы (наибольший) и минимальному уровню шумов (наименьший).
Рисунок 2. Чем больше уровней(тонов серого) а цифровом файле, тем плавней градация тонов(верхняя полоска). Когда видимых уровней мало, дискретность тонов становится очевидной(нижняя полоска).
Относительно ДД сказано много. Без сомнения, наибольшие технологические усовершенствования в производстве цифровых камер коснутся именно его, однако сейчас прогресс несколько замедлился. Проблемы цифрового ДД во многом подобны проблемам ДД пленок — это существенные ограничения возможности матриц регистрировать детали при большом диапазоне яркостей (ДЯ) объекта съемки или ДД сцены. Например, позитивные (обращаемые) пленки могут регистрировать детали в очень узком диапазоне — примерно 5 ступеней. Цветная негативная пленка немного лучше — 7 ступеней, в то же время черно-белая негативная пленка охватывает около 9 ступеней. Для сравнения, ДД сегодняшних цифровых камер составляет 5-7 ступеней в зависимости от качества матрицы и, что очень важно, от аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
Как уже упоминалось, ДД матрицы определяется двумя факторами: эффективностью элемента матрицы и уровнем шумов. Эффективность элемента матрицы определяется количеством электронов, или наибольшим зарядом, который элемент может удержать до перехода в насыщение. Эта величина связана с размером элемента матрицы (одна из причин, почему большие (полнокадровые) матрицы могут иметь преимущества перед матрицами меньшего размера, хотя и не всегда) и пределами ДД на ярком краю ДЯ сцены. Уровень шума определяется как сигнал, сформированный всеми источниками шумов, который ограничивает ДД в тенях, поскольку любой измеренный световой сигнал не может быть меньше уровня шумов.
Еще одним фактором, ограничивающим ДД матрицы, является разрядность АЦП. Теоретически, чем выше разрядность АЦП, тем выше точность АЦ-преобразования. Например, 12-разрядные АЦП, которые применяются сегодня во многих профессиональных и полупрофессиональных DSLR-камерах, имеют теоретический ДД в 12 ступеней. В некоторых более новых моделях установлены 22-разрядные АЦП с теоретическим ДД в 22 ступени. Однако ДД всегда ограничен эффективностью элементов матрицы и минимальным уровнем шумов — независимо от разрядности примененного АЦП, что дает нам реальные пределы ДД в 5-7 ступеней.
Рисунок 3. Таблица показывает варианты ДД. Как видите. ДЯ типичной сцены вне помещения при солнечном освещении намного превосходит ДД цифровой камеры, что делает невозможным передать на снимке детали на всём диапазоне.
В цифровой фотографии битовая глубина описывает число различных тонов или цветов, которые могут воспроизводиться пикселями. Эти тона также называют уровнями. в вычислительной технике бит принимает два значения — 0 или 1 (бинарность). Файлы в формате jpeg являются 8-битовыми. Это означает, что они имеют битовую глубину в 256 различных тонов, или уровней (рассчитывается как 2 в 8-й степени). В то же время файлы в формате raw обычно 12-битовые, что дает битовую глубину 4096 тонов (2 в 12-й степени), а файлы 16-битового изображения имеют битовую глубину 65 536 тонов (2 в 16-й степени).
Из этого мы можем заключить, что чем выше битовая глубина, тем более плавной и непрерывной будет тональная градация цифрового изображения. Поэтому недостатком фотографирования в формате jpeg является потеря тысяч потенциальных тонов. Однако он применяется только при необходимости серьезной компьютерной обработки файла, так как научные исследования показали, что человеку достаточно всего около 200 тонов, чтобы он воспринимал изображение как фотографию с непрерывными тонами.
В файле цветного изображения три канала: красный, зеленый и синий, каждый из которых может иметь по 256 цветовых тонов (при 8-битовом изображении), что позволяет получить 16 777 216 возможных оттенков цвета (256 х 256 х 256). Это близко к предельной различимости цветов человеком, которая примерно равна 17 млн цветов. 12-битовый цветной файл содержит 68 719 476 736 возможных вариаций цвета.

Динамический диапазон ПЗС-матрицы. | ДРУГ ФОТОАППАРАТ

Ранее уже было написано о динамическом диапазоне светочувствительных сенсоров фотоаппаратов. В связи с этим говорилось и о т. н. фотографической широте (фотопленки или матрицы неважно).

Теперь рассмотрим понятие динамического диапазона с физической точки зрения, т. е. исходя из устройства матрицы цифрового фотоаппарата.

Для того, чтобы сенсор был чувствителен к большому диапазону освещенностей объекта съемки, т. е. мог воспроизводить как темные (теневые) его стороны, так и светлые (яркости) адекватно, пропорционально, у каждого пиксела должна быть потенциальная яма достаточной емкости. Такая потенциальная яма должна быть способной удерживать минимальный заряд при попадании на пиксел света от слабо освещенной части объекта, и в то же время могла вмещать большой заряд если освещенность части объекта велика.

Эту способность потенциальной ямы накапливать и удерживать заряд определенной величины называют глубиной потенциальной ямы. Как раз глубиной потенциальной ямы определяется динамический диапазон матрицы.

Динамический диапазон матрицы — это ее способность адекватно реагировать как на малые световые потоки, так и на большие, т. е. правильно передавать соотношение освещенностей реального объекта на получаемом изображении. Чем больше динамический диапазон, тем большее количество оттенков может передать матрица, тем ближе изображение будет соответствовать реальности.

При слабых освещенностях объекта на динамический диапазон влияет порог чувствительности отдельных элементов (пикселей), который в свою очередь зависит от величины темнового тока элемента.

С этим связана потребность разработчиков минимизировать потери заряда не только при его накоплении, но и при переносе из одной ячейки в другую. Физически процесс переноса заряда неизбежно сопровождается рассеиванием электронов и потерей отставших электронов при перетекании заряда из одной потенциальной ямы в соседнюю. Эффективность переноса заряда характеризуется долей заряда , перенесенного в следующую ячейку (измеряется в % от исходного заряда).

Об эффективности переноса следует сказать немного подробнее, чтобы понимать важность данного фактора. Возьмем для примера величину эффективности равной 98%. Пусть ПЗС-матрица будет 1024х1024 пк (совсем не большая). Тогда при указанной эффективности величина заряда полученного из центрального элемента такой матрицы на выходе, будет 0,98¹⁰²⁴х100%=0,0000001% от его начальной величины. (Всего лишь!).

Ясно, что при большом разрешении параметр эффективности переноса должен быть значительно больше. Для этого потенциальная яма должна быть более глубокой. При этом количество залипших на электродах переноса электронов значительно уменьшается. Для увеличения глубины потенциальной ямы в конструкцию ПЗС элемента введен канал с n-проводимостью (см. рис 1).

Рис.1 Устройство ПЗС-элемента.

Можно подсчитать, что для того, чтобы в

матрице 1024х1024 пк обеспечить величину заряда, получаемого на выходе 98,98% от исходного значения, необходимо иметь эффективность переноса 99,999%. А для матриц с более высоким разрешением эффективность должна быть 99,99999%!

Далее имеется еще один эффект в ПЗС элементах. Эффект так называемого блюминга, т. е. растекания избыточного заряда из потенциальной ямы. Возникает он при накоплении заряда, превышающего емкость потенциальной ямы. Проявляется данный эффект на изображении в виде белых пятен правильной формы. Размер этих пятен зависит от степени засветки ПЗС-элемента.

Для снижения влияния эффекта блюминга в конструкцию ПЗС-элемента вводится электронный дренаж, способствующий отводу излишних электронов из потенциальной ямы. Реализуется в виде вертикального (Vertical Overflow Drain – VOD) и бокового (Lateral Overflow Drain – LOD) дренажа.

Вертикальный дренаж реализуется путем подачи отрицательного потенциала на подложку ПЗС-элемента. Величина этого потенциала определяется таким образом, чтобы при переполнении потенциальной ямы, избыточные электроны стекали в подложку (См. Рис 2).

Рис.2 Схематичное изображение вертикального дренажа.

Это имеет и отрицательный побочный эффект, который проявляется в снижении глубины потенциальной ямы, что в конечном счете приводит к уменьшению динамического диапазона.

Боковой дренаж реализуется путем создания специальных шлюзов. При такой конструкции дренажа глубина потенциальной ямы не меняется, правда несколько уменьшается светочувствительная площадь пиксела. Но эта проблема решается применением микролинз.

Схематичное изображение бокового дренажа.

Использование дренажа ведет к усложнению конструкции ПЗС-элементов, но это оправдано тем вредом, который наносится изображению благодаря блюмингу.

Еще одна проблема, ухудшающая качество изображения, получаемого ПЗС-матрицей — т. н. залипшие пикселы (stuck pixels), у нас их часто называют «битыми». Эти пикселы появляются при любой выдержке, в отличие от шума, имеющего хаотический характер, локализуются в одном и том же месте. Связаны они с некачественно изготовленными ПЗС-элементами, в которых даже при минимальном времени засветки происходит лавинообразный срыв электронов в потенциальную яму. Проявляются они на каждом снимке в виде точек, значительно отличающихся по цвету от рядом расположенных.

Для борьбы с этим дефектом в современных фотокамерах применяется специальное программное обеспечение. Суть действия этого программного обеспечения состоит в поиске таких пикселов и занесении  в память камеры их координатов. Такой поиск осуществляется путем сравнения зарядов всех ПЗС-элементов матрицы с эталонной величиной, имеющейся в памяти фотоаппарата. Далее при обработке изображения эти точки исключаются из изображения и заменяются некоторым усредненным значением заряда соседних элементов.

 

Поделиться в соц. сетях

Об авторе

Я живу в г Новосибирске. Образование высшее — НГТУ, физикотехнический факультет. В настоящее время на пенсии. Семья: жена, две дочери, две внучки. Работал в последнее время в электронной промышленности в ОКБ по разработке и производству приборов ночного видения. Люблю музыку- классику, джаз, оперу, балет. Главное увлечение — любительская фотография.

Динамический диапазон в цифровой фотографии

В самом упрощённом виде определение звучит так: динамический диапазон определяет способность светочувствительного материала (фотопленки, фотобумаги, светочувствительной матрицы аппарата) правильно передавать яркости снимаемого объекта. Не очень понятно? Суть явления не так очевидна, как кажется на первый взгляд. Дело в том, что глаз и фотоаппарат видят мир по-разному. Глаз развивался несколько сот миллионов лет, а оптическая система аппарата — полторы сотни лет. Для глаза огромный перепад яркостей в наблюдаемом мире — тривиальная задача, а для аппарата — иногда непосильная. И, если глаз воспринимает весь диапазон яркостей, то фотоаппарат «видит» только узкую часть диапазона, которая как бы передвигается по шкале в одну и другую сторону, в то время как мы изменяем экспозицию съёмки.

Давайте на несколько минут вернёмся в прошлый, XX, век, во времена плёночной фотографии. Тому, кто не застал тех славных времён, придётся напрячь свою фантазию.

Техпроцесс печати, наверное, представляют все. Свет лампы увеличителя, пройдя через негатив, освещает фотобумагу. Там, где негатив прозрачный, весь свет проходит, не задерживаясь, а там, где плотный – поток сильно ослабевает. Потом бумага помещается в проявитель. Те места, которым досталось много света – чернеют, а участки, оставшиеся на голодном световом пайке – наоборот, остаются белыми. Ну и, конечно, никуда не делись промежуточные тона. Представим, что на негативе есть как абсолютно чёрные участки, через которые свет вообще не пробивается, так и абсолютно прозрачные, пропускающие весь свет. Есть ещё такое понятие, как время максимальной выдержки. Оно для каждого увеличителя своё и зависит от типа лампы, её мощности и от конструкции рассеивателя. Допустим, что это время составляет 10 секунд. Нам не столько важна абсолютная его величина, сколько само понятие – за эти 10 секунд фотобумага, помещённая под лампу фотоувеличителя, безо всякого негатива (или с абсолютно прозрачным негативом), сможет вобрать в себя весь поступивший свет. Больше она просто не примет – происходит насыщение. Свети хоть 20 секунд, хоть 3600 – разницы уже не будет. Она уже и так останется максимально чёрной.

Внимание, вопрос. Как Вы считаете, сколько полутонов сможет расположиться на полоске фотобумаги между абсолютно белым и абсолютно чёрным участком, так чтобы человек различал разницу между ними? Давайте разделим полоску на 10 частей, и будем увеличивать экспозицию (то есть количество света) для каждого последующего участка на одну и ту же величину, например, на секунду. Таким образом, мы получим 10 участков, со всё увеличивающейся экспозицией (всё более чёрных). Вот это количество полутонов, которые может воспроизвести светоприёмник, и называется его динамическим диапазоном.

Вы удивитесь, когда не сможете различить все 10 переходов на полоске фотобумаги, особенно в светлой её части (глаз человека сможет различить гораздо больше, не справится именно бумага). Оказывается, что фотобумага, на которой напечатаны все чёрно-белые шедевры за последние лет 150, может уверенно передать всего-навсего 5-6-7 ступеней полутонов, в зависимости от контраста. Чуть лучше обстоит дело с фотоплёнкой – она вмещает в себя 12-14, а то и ещё больше градаций полутонов! У слайдовой плёнки диапазон полутонов составляет 7-10 ступеней.

Нас, как цифровых фотографов, интересует, конечно, матрица цифрового аппарата. Довольно долгое время цифроматрица находилась в явных аутсайдерах. Её динамический диапазон был примерно сопоставим с таковой у слайдовой плёнки. Сегодня же, с почти полным переходом на CCD-матрицу, динамический диапазон матрицы цифровых аппаратов значительно расширен – примерно до 12-14 ступеней. Специальные же матрицы от Fuji имеют ещё бОльший динамический диапазон (В этих матрицах для увеличения динамического диапазона используется наличие на одной и той же матрице элементов различной площади и различной эффективной чувствительности. Передача низких уровней яркости обеспечивается элементами большой чувствительности, а высоких яркостей — низкой).

Для чего нам нужно понятие динамического диапазона? Дело в том, что оно очень тесно связано с измерением и выбором экспозиции.

Среднестатистический сюжет как раз состоит из этих самых 7-8 ступеней экспозиции. И, если мы верно выставим экспозицию, необходимую для передачи всех полутонов, присутствующих в исходном объекте, мы прекрасно справимся с поставленной задачей – получим отлично проработанное как в светах, так и в тенях изображение. Наш светоприёмник (матрица или плёнка) как раз уместит в своём диапазоне весь диапазон яркостей объекта.

Усложняем задачу – выходим за рамки средней съёмки – добавляем солнышко. Диапазон яркостей сразу увеличивается, появляются световые блики, отражения, глубокие тени. Глаз с этим справляется на «ура», ему только не очень нравится смотреть на слишком яркие источники света, а вот для фотоаппарата наступают тяжёлые минуты. Как угодить хозяину? Что выбрать? Увеличишь экспозицию – получишь выбитые зубы света и невестино платье станет просто белым куском, уменьшишь, постараешься поймать платье невесты, так у жениха костюм – сплошное чёрное пятно. Диапазон яркостей объекта намного превышает возможности светоприёмника, и в этом случае приходится идти на компромисс, подключать творчество, опыт и знание теории.

«А может сделать силуэт, да не париться? Так даже лучше» — это творчество.

«Экспозиция – по лицу. А платье и пиджак подтянем кривыми в Любимой Программе» — это знание теории.

«Отведу-ка я пару воон под то деревце, и таким образом выровняю перепад яркостей, а, следовательно, и динамический диапазон» — это опыт.

Изменить динамический диапазон своего аппарата мы не в силах, мы можем только помочь ему принять верное решение в сложных ситуациях. Мы помогаем ему в выборе — какая жертва для нас, как для автора снимка менее трагична.

Надеюсь, теперь стало более понятно, как связано понятие динамического диапазона с экспозицией. Чтобы получить возможно более качественный снимок, необходимо весь диапазон полутонов объекта уместить в динамический диапазон аппарата, либо – решая творческие задачи – сместить диапазон яркостей объекта в одну или другую сторону.

Одним из способов увеличения динамического диапазона является многократная съёмка объекта с разными экспозициями с последующим цифровым «склеиванием», объединением кадров в одно изображение. Такой способ носит название HDR — High Dinamic Range.

Последний абзац посвящу извинениям. Дело в том, что на самом деле понятие «динамический диапазон» довольно сильно зависит от способа измерения — по контрастности, по плотности или f-ступенями, от цветового пространства, от освещенности (для отпечатков или мониторов), от области применения — для сканера, для матрицы, для монитора, для бумаги и прочее. Поэтому прямое сравнение динамического диапазона, как это проделали мы, если честно, довольно значительно грешит против настоящей, скрупулёзной физики. В своё оправдание скажу, что я попытался дать возможно более понятное объяснение термина. За более детальным (строгим) определением отсылаю читателя в просторы сети (вот хороший пример для начала — «Динамический диапазон в цифровой фотографии«).

И ещё. Ну это уже точно самый последний абзац. С понятиями «Динамический диапазон» и «Экспозиция» очень тесно связна интереснейшая «Зонная теория Анселя Адамса». Точнее, придумал теорию не Адамс, но он здорово популяризовал её, развил и теоретически обосновал, так что теперь она носит его имя. При случае обязательно познакомьтесь с ней.

Удачных снимков!

Динамический диапазон и фотографическая широта: liveracing — LiveJournal

Определение

Ввиду смысловой схожести таких фотографических параметров, как динамический диапазон и фотографическая широта, в применении этой терминологии существует изрядная путаница. Природа этой путаницы — в непонимании отношения реальных яркостей к их отображению на плёнке или в цифре. Попробую внести ясность.

Фотографическая широта — максимально возможный диапазон внешних яркостей, которые может каким либо образом зафиксировать  фотоустройство (фотоаппарат, в том числе и цифровой, сканер и т.п.) внутри одного кадра.

Динамический диапазон — максимально возможный полезный диапазон оптических плотностей плёнки, фотобумаги и т.п. или максимально возможный полезный диапазон количеств электронов, могущих помещаться в каждом пикселе электронной матрицы фотоустройства.

Таким образом, термин «фотографическая широта» применяется для оценки запечетлеваемого диапазона внешних яркостей, а динамический диапазон — для оценки физических свойств внутреннего носителя (оптическая плотность плёнки, ёмкость и шумность пикселей матрицы и т.п.).

Примеры:

Фотографическая широта плёнки (контрастность) — способность её фиксировать некоторый диапазон внешних яркостей. Приблизительные значения для негативов 2,5-9 EV, для слайдов 2-4 EV, для киноплёнки 14EV.
Динамический диапазон плёнки (диапазон оптических плотностей) — её способность в некотором диапазоне изменять свою прозрачность (оптическую плотность) в зависимости от воздействия внешней яркости. Приблизительные значения для негативов 2-3D, для слайдов 3-4D.

Фотографическая широта фотобумаги (контрастность) — способность её фиксировать некоторый диапазон внешних яркостей (от фотоувеличителя). Типичные значения для чёрно-белых бумаг: 0,7-1,7 EV.
Динамический диапазон фотобумаги (диапазон оптических плотностей) — её способность в некотором диапазоне изменять степень отражения (оптическую плотность) в зависимости от внешней яркости (от фотоувеличителя). Типичные значения от 1,2 до 2,5D.

Фотографическая широта матрицы цифрового аппарата — способность её фиксировать некоторый диапазон внешних яркостей. У цифрокомпактов 7-8 EV, у зеркалок 10-12 EV.
Динамический диапазон матрицы цифрового фотоаппарата — способность пикселей матрицы в некотором количественном диапазоне накапливать разное количество электронов в зависимости от уровня внешней яркости. Динамический диапазон цифрокомпактов — 2,1-2,4D, а зеркалок — 3-3,6D.

Фотографическая широта графического файла — Поскольку файл — это всего лишь способ хранения информации, то за счёт потери градаций в любой формат файла можно запихнуть любой диапазон внешних яркостей. Стандартные величины у формата восьмибитного JPEG — это 8 EV, у HDRI (Radiance RGBE) — до 252 EV. От количества бит, выделяемых для хранения каждого пикселя, этот параметр зависит лишь косвенно, поскольку способ упаковки информации в эти биты у разных форматов различен.
Динамический диапазон графического файла — способность файла хранить в себе некоторый диапазон значений каждого пикселя.

Фотографическая широта монитора — Поскольку монитор — это только устройство отображения, то этот параметр не имеет особого смысла. Ближайшим по смыслу параметром будет способность монитора отображать закодированный в графическом файле диапазон значений яркости.  Но он зависит в основном от используемого цветового профиля и программы отображения, которые с тем или иным успехом втискивают всю (или не всю) фотографическую широту изображения, содержащуюся в файле, в рамки динамического диапазона монитора. Замечу, что чем большая фотоширота втиснута в динамический диапазон, тем менее контрастно выглядит изображение.
Динамический диапазон монитора (контрастность) — способность пикселя монитора в некотором диапазоне изменять свою яркость в зависимости от напряжения входящего сигнала. Динамический диапазон современных мониторов находится в пределах 2,3-3D (200:1 — 1000:1).

Фотографическая широта матрицы сканера — способность её фиксировать некоторый диапазон яркостей отражённого от бумаги или пропущенного через плёнку света. Составляет от 6 EV у офисных планшетных до 16 EV у профессиональных барабанных сканеров.
Динамический диапазон матрицы сканера — способность пикселей матрицы сканера в некотором количественном диапазоне накапливать разное количество электронов в зависимости от яркости отражённого от бумаги или пропущенного через плёнку света. Динамический диапазон сканеров может принимать значения от 1,8D у офисных планшетников до 4,9D у профессиональных барабанных сканеров.

Примечание по сканеру: Поскольку лампа сканера создаёт постоянную освещённость сканируемого материала, верхняя граница  яркости этого материала фиксирована (абсолютно белый лист или полностью прозрачная плёнка). Поэтому и верхняя граница динамического диапазона матрицы фиксирована, будучи подогнанной под эту максимальную яркость. Следовательно, величины фотографической широты и динамического диапазона совпадают. Кроме того, зная динамический диапазон плёнки (бумаги) и его сдвиг относительно полной прозрачности (абсолютной белизны), можно смело сравнить динамические диапазоны плёнки (бумаги) и сканера, и определить, сможет ли тот или иной сканер оцифровать плёнку (бумагу) без потерь градаций. Для справки: динамический диапазон вуали (максимальной прозрачнгости) фотоплёнок приблизительно составляет 0,1D.

Обшее примечание 1. Не все вышеперечисленные словосочетания реально используются, но они упомянуты для полноты картины, чтобы яснее можно было прочувствовать разницу между фотографической широтой и динамическим диапазоном.

Обшее примечание 2. Очевидно, что фотографическая широта и динамический диапазон для одного и того же аналогового фотоустройства или материала имеют разные величины, даже если их попытаться выразить в одинаковых единицах. Для цифровых же фотоустройств эти параметры имеют одну величину. Из-за этого понятие фотошироты обычно подменяется понятием динамического диапазона. К счастью, для цифровых фотоустройств это не критично.

Единицы измерения

Динамический диапазон измеряют по шкале, каждое следующее деление которой соответствует снижению измеряемого параметра в 10 раз, а фотографическую широту по шкале, каждое следующее деление которой соответствует снижению измеряемого параметра в 2 раза.

Исходя из понятия логарифма (показатель степени, в которую надо возвести одно число, чтобы получить другое), обе эти шкалы являются логарифмическими. В первом случае используется логарифм по основанию 10 (десятичный логарифм — log₁₀ или lg), во втором — по основанию 2 (двоичный логарифм — log₂ или lb).

Десятичный логарифм используется для компактности шкалы динамического диапазона и соответствия каждого следующего деления шкалы динамического диапазона зрительному ощущению падения яркости в 2 раза при фактическом десятикратном падении величины измеряемого параметра, а двоичный — для соответствия каждого следующего деления шкалы фотографической широты зрительному ощущению равномерного падения яркости при геометрически увеличивающимся падении количества света.

Размер динамического диапазона или фотографической широты записываются цифрой, обозначающей количество делений по соответствующей шкале между измеренными точками. При этом, если измерения проходят по шкале динамического диапазона, рядом с цифрой ставят обозначение D (2D, 2,7D, 4D, 4,2D), а если по шкале фотографической широты, то используется обозначение EV (Exposure Value — значение экспозиции) или просто количество ступеней или стопов (делений).

Часто динамический диапазон записывают просто как отношение, например 100:1 (2D) или 1000:1 (3D).

Формула же для измерения полезного динамического диапазона следующая: динамический диапазон равен десятичному логарифму из отношения максимальной величины измеряемого параметра к минимальному, то есть уровню шума:

D = lg(Max/Min)

Формула вычисления фотошироты аналогична, но вместо десятичного логарифма применяется двоичный.

Динамический диапазон цифровых устройств измеряют ещё и в децибеллах. Способ измерения практически аналогичен вышеописанному, поскольку децибел — тоже логарифмическая величина, и тоже вычисляется через десятичный логарифм. Но значение в децибелах будет в 20 раз больше (1D = 20 дб), и сейчас я объясню, почему.

Измерению в этом случае подвергается разница напряжений, в которые преобразовываются накопленные в каждом пикселе матрицы электроны. Впрочем, это напряжение пропорционально количеству накопленных электронов, но я упомянул напряжение не случайно. Дело в том, что в децибелах измеряют диапазоны только энергетических величин: мощностей, энергий и интенсивностей. И способ их вычисления полностью аналогичен вышеописанному за исключением умножения итогового числа на 10, потому что мы мерием не белы а децибелы, которые в 10 раз меньше.

Однако существует возможность померить в децибелах и амплитудные величины, такие как напряжение, ток, импеданс, напряженности электрического или магнитного полей и размахи любых волновых процессов. Но для этого надо учесть  зависимость от них соответствующей им энергетической величины.

Вычислим зависимость

мощности от напряжения. Мощность равна квадрату напряжения делённого на сопротивление, то есть она зависит от напряжения квадратично. Увеличивая напряжение в 2 раза мощность увеличивается в 4 раза. Значит, чтобы сохранить мощностную пропорцию, придётся мерить диапазон не напряжений, а квадратов этих напряжений:

lg(U_max²/U_min²) = lg(U_max/U_min)² = 2*lg(U_max/U_min)

Мы получим значение в белах. Для перевода в децибелы умножаем на 10. В итоге полная формула принимает вид:

Децибелы = 20*lg(U_max/U_min)

Таким образом, у нас получается, что динамический диапазон в децибелах равен подсчитанному нами по шкале динамическому диапазону, умноженному на коэффициент 20.

Иногда из-за путаницы в терминологии динамический диапазон измеряют в единицах экспозиции (EV), ступенях или стопах, как фотографическую широту, а фотографическую широту — как динамический диапазон. Чтобы привести параметры к нормальному виду, приходится пересчитывать диапазон из одной шкалы в другую. Для этого необходимо вычислить цену деления одной шкалы в цифрах другой. Например, цену деления шкалы фотографической широты в цифрах шкалы динамического диапазона.

Кроме того, принимая во внимание логарифмичность шкал и зная динамический диапазон фотоустройства, можно вычислить его фотографическую широту, и наоборот, по его фотографической широте можно узнать его динамический диапазон. Для этого нужно опять же просто пересчитать диапазон из одной шкалы в другую.

Поскольку деления шкалы представляют собой степени, вычислим, в какую степень надо возвести десятку (размерность шкалы динамического диапазона), чтобы получить двойку (размерность шкалы фотографической широты). Берём десятичный логарифм от двойки и получаем цену одного деления шкалы фотографической широты в единицах шкалы динамического диапазона — приблизительно 0,301. Это число и будет коэффициентом перевода. Теперь, для перевода EV в D, следует EV умножить на 0,3, а для перевода из D в EV, следует D разделить на 0,3.

Замечу, что шкала фотографической широты применяется не только для измерения диапазонов, но и для измерения конкретных величин экспозиции. Поэтому она имеет условный ноль, который соответствует яркости света, падающего от объекта, освещённость которого составляет 2,5 люкса (для нормальной экспозиции объекта с таким освещением требуется диафрагма 1.0 и выдержка 1 сек. при чувствительности ISO 100). Таким образом, экспозиция вполне может принимать по этой шкале отрицательные значения в EV. Диапазон же, естественно, всегда положителен.

Битовая глубина цифрового фотоустройства.

При упоминаниях о динамическом диапазоне фотоустройств иногда упоминается их битовая глубина. Давайте разберёмся, что это такое.

Верхняя граница динамического диапазона матрицы соответствует максимальному количеству электронов, способных возбудиться фотонами в каждом пикселе. Минимальная граница соответствует количеству возбуждённых фотонами электронов, сравнимому с колебанием количества паразитных электронов, находящихся в каждом пикселе в возбуждённом состоянии постоянно (тепловой шум). Если сигнал от постоянно находящихся электронов ещё можно отфильтровать (что и делается), то случайные колебания их количества непредсказуемы.

Между максимальным и минимальным значениями существует большое количество градаций, соответствующих разным яркостям, воспринятым пикселем. Для цифровой фиксации градаций в двоичном представлении требуется некоторое количество бит. Это количество бит и называется битовой глубиной АЦП (аналого-цифрового преобразователя фотоустройства, преобразующего количество возбуждённых электронов в пикселе в ту или иную цифру).

В современных сканерах на каждый из трёх цветов выделяют обычно по 16 бит. В цифровых фотоаппаратах это значение несколько меньше. Но даже там битовая глубина является избыточной, потому что основным ограничением является не разрядность АЦП, а динамический диапазон пикселей, которые пока неспособны накапливать большее количество электронов, или же иметь более низкий показатель случайного теплового шума, чтобы не глушить полезные электроны. В результате, младшие биты избыточной битовой глубины заняты в основном значениями случайного теплового шума.

kapankov.ru — Динамический диапазон

Существуют ситуации, в которых камера не способна одновременно запечатлеть и глубокие тени и яркие света, например, в яркий солнечный день. То есть высоккоонтрастные сцены полностью «уместить» в RAW-файле как минимум трудно, а иногда просто невозможно. В результате даже снимая в RAW на снимке образуются области, детали которых просто потеряны и никакими средствами их вытащить уже нельзя. Разберемся с причинами этого и как с этим бороться?

Вспомните, когда мы выходим из помещения на улицу с ярким солнцем, наше зрение какое-то время не может воспринимать яркие светлые предметы и особенно на небо глядеть. После того как глаз адаптируется, мы начинаем видеть хорошо. А если затем зайти снова в темное помещение, мы снова ничего не видим и находимся как будто в полной темноте. Но стоит нашим глазам привыкнуть, и мы снова начинаем распознавать предметы вокруг себя. Все дело в динамическом диапазоне и механизме адаптации зрительных органов человека. Человеческий глаз без адаптации может воспринимать информацию в диапазоне до 14 ступеней, а с адаптацией до 24 ступеней. А вот матрицы фотоаппаратов пока еще ограничены в этом вопросе. Приведу несколько примеров:

Nikon D700 — 12,2 EV
Sony Alpha 900 — 12,3 EV
Canon 5D Mark II — 11,9 EV
Canon 60D — 11,5 EV

Значения для компакт камер еще ниже. Значения для некоторых камер можно найти на сайте dxomark.com.

Давайте глянем на некоторые типичные значения экспозиции для ISO100 в стопах:

Искрящийся снег на ярком солнце — 21 EV
Солнечные блики на блестящих металлических предметах — 19 EV
Освещённые песок или снег при ярком солнце или лёгкой дымке (резкие тени) — 16 EV
Освещённая ярким солнцем стандартная серая карта, полная Луна, радуга на фоне чистого неба — 15 EV
Сюжет в глубокой тени при ярком солнце — 12 EV
Яркие ночные сцены — 8 EV
Домашние интерьеры — 5-7 EV
Ландшафт, освещённый лунным светом в полнолуние — -2 EV
Ландшафт, освещённый светом звёздного неба — -15 EV

Динамический диапазон — это характеристика светочувствительного материала, определяющая способность его правильно передавать яркости снимаемой сцены. В пленочные времена использовался термин фотографическая широта, которая определялась как диапазон яркостей сцены, который может запечатлеть светочувствительный материал. График, описывающий зависимость выходного сигнала (оптическая плотность для фотопленки или яркость для цифровых камер) от экспозиции, называют характеристической кривой. Рассмотрим характеристическую кривую фотопленки.

По горизонтали откладываются значения экспозиции сцены E, по вертикали значения плотности пленки D. Участок неэкспонированной пленки называют вуалью (fog). Далее следует стопа или зона недодержек (toe). Прямолинейный участок пленки от точки 1 до точки 2 называют рабочим участком (straight). Отношение эскпозиции в точке 2 к точке 1 и определяет фотографическую широту пленки L. То есть, фотографическая широта — это отношение величин максимальной и минимальной экспозиции линейного участка характеристической кривой. Lmax, включающую, помимо рабочего участка, стопу и плечо, называют полезной фотографической широтой.

Чем более крутой рабочий участок, т.е. чем больше угол, тем контрастнее пленка. Далее идет участок зоны передержек (shoulder). Затем идет вылет светов (highlight) и соляризация.

А вот динамический диапазон пленки — это динамический диапазон плотностей пленки, то есть степени почернения пленки в зависимости от экспозиции. На графике соответственно это диапазон от плотности вуали до вылета светов. Таким образом, говоря о пленке, динамический диапазон и фотографическая широта — это разные понятия

Давайте рассмотрим характеристическую кривую цифрового сенсора.

Сенсор имеет участок шумов (noise), а далее идет прямолинейный участок, который нуждается в гамма-коррекции (на самом деле переход от шумов к прямолинейному участку не такой резкий как на графике, а постепенный). Сверху кривая ограничена уровнем насыщения (saturation). Таким образом фотографическая широта сенсора ограничена уровнем насыщения сенселей и уровнем шума. Поскольку плотности D в сенсорах выражены через сигнал, уровень которого строго пропорционален входному, фотографическая широта и динамический диапазон одинаковы, но не одно и то же. Впрочем, современные реалии таковы, что, когда говорят о динамическом диапазоне цифровых камер, подразумевают диапазон яркостей сцены, который можно запечатлеть в кадре.

Некоторые производители цифровых сенсоров используют следующее определение динамического диапазона: отношение максимального сигнала, получаемого с сенсора при ярком освещении, к минимальному сигналу, получаемому при отсутствии света. При этом за минимальный сигнал принимается шум чтения светочувствительной матрицы.

Представим один пиксель на матрице в виде колодца. Колодец может быть наполнен фотонами до самого верха, а может быть пустым. Как кодируется сигнал в RAW? Если весь колодец наполнен, все 14 бит (для 12-битных RAW, соответственно 12 бит) будут заполнены единичками. Если проэкспонировали сенсор на одну ступень меньше, колодец заполняется ровно наполовину, т.е. 13 бит будут заполнены. Если получили на два стопа меньше — 12 бит будут заполнены. Отсюда можно сделать важный вывод: с уменьшением величины экспозиции на 1 стоп, количество данных о градации яркостей падает в два раза. То есть недодержав снимок на одну ступень, а затем откорректировав кадр в конвертере, получаем увеличение уровня шумов в два раза и падение детализации и глубины цвета во столько же.

Теоретически 14 битный RAW может содержать диапазон в 14 стопов. Но как мы уже видели выше, на практике это совсем не так. Диапазон в тенях ограничен шумом матрицы, т.е. уровень при котором полезный сигнал превышает шум. Может быть вы удивитесь, но даже с закрытой крышкой сделав снимок можно обнаружить в RAW-файле некоторую информацию — это темновой шум. В светах же диапазон ограничен емкостью фотодиода. Представьте, что колодец полностью будет наполнен водой, т.е. состояние фотодиода достигнет уровня насыщения, после которого сигнал будет представлен абсолютно белым. Состояние насыщения нужно избегать на снимках, по возможности, поскольку при этом происходит так называемый клиппинг, когда совершенно нет никакой возможности вытянуть какую-либо информацию. Кроме того, определенные погрешности вносит АЦП, уменьшая ДД. Можно встретить мнение, что ДД определяется разрядностью АЦП. ДД определяется возможностями сенселя. 14-битный АЦП не означает, что на выходе получится 14 стоповый динамический диапазон.

При повышении чувствительности ISO, происходит усиление сигнала, чтобы воспроизвести яркости сцены. При этом важно понимать, что чем выше ISO, то есть больше коэффициент усиления, тем меньше динамический диапазон. То есть исходный диапазон сигналов домножается на некоторый коэффициент и в результате получается некоторое изображение, соответствующее реальной сцене. Другими словами, повышение ISO ведет не только к повышению шума, но и к уменьшению динамического диапазона, снижению глубины цвета и градаций серого.

Различные производители пытаются разрабатывать матрицы с более широким динамическим диапазоном, но пока большого распространения они не получили. Определенных успехов в этом добилась компания Fuji.

Что же делать, когда динамического диапазона не хватает, то есть, например, когда есть в кадре и провалы и засветы одновременно. Первым делом нужно настройками добиться максимального динамического диапазона. В первую очередь снизив чувствительность ISO до 100-200 единиц, если это возможно. То есть необходимо создать условия, при которых порог шумов будет минимальным. Далее, исходя из того, что света для зрителя более важны, нежели глубокие тени, нужно сдвинуть экспозицию таким образом, чтобы пересветов либо не было вообще, либо в пересветы попадали только яркие источники света или блики. То есть придется жертвовать тенями ради сохранения деталей в светах.

Существуют техники, позволяющие воспроизвести максимум деталей в сложных условиях освещения: ETTR (съемка без пересветов), HDR (съемка с автобрекетингом и объединение нескольких кадров в один) и DualISO (съемка одного кадра с двойным ISO).

Также при съемке ландшафтов фотографы прибегают к использованию градиентных фильтров, которые позволяют затенить половину кадра, то есть можно затенить небо. Данный способ не является универсальным. Также используют поляризационные фильтры, которые придают эффект солнцезащитных очков, однако при этом падает сила света (на один-два стопа), но в солнечную погоду это, по большому счету, не актуально.

Помимо ограничения в матрицах камер, ограничения в динамическом диапазоне имеют также ЖК-экраны самих камер, мониторы, на которых просматривается изображение, а также бумага, на которой печатается изображение и оборудование, на котором печатается изображение. То есть при наличии вроде бы сбалансированного по диапазону изображения можно получить отпечаток на бумаге совсем другого качества. В этих условиях остается только экспериментировать и искать компромиссы.

Также следует помнить, что сохранение в формат JPEG из исходного RAW формата камеры приводит к сжатию с потерями динамического диапазона до 9 EV (хотя максимально возможное значение 11,7 EV для JPEG). При этом происходит тональная компрессия, при которой большой диапазон яркостей уменьшается в небольшой диапазон 8-битного sRGB-файла путем уменьшения контраста всего изображения, единым образом для всех пикселей изображения.

Дополнительные материалы

Википедия — Фотографическая широта

Динамический диапазон в цифровой фотографии

Динамический диапазон

Домашнее задание

В яркий солнечный день потренируйтесь, делая снимки, стараясь избегать пересветов, включая в кадр яркие, но значимые объекты. На ярких объектах должны читаться детали.

Динамический диапазон и фотографическая широта

Новиков М.Г.
18.11.2008

Содержание

Введение

При выборе монитора, сканера, фотоаппарата, а также других устройств, работающих с изображением, мы чаще всего обращаем внимание лишь на одну из их характеристик — разрешающую способность этого устройства. Неудивительно — ведь именно её в первую очередь выпячивают в рекламе, как наиболее простую для понимания широкими массами.

Однако, помимо разрешающей способности, существуют другие, не менее важные для качества картинки, характеристики. Таковыми, например, являются фотографическая широта и динамический диапазон. И если с разрешающей способностью всё более-менее понятно, то с упомянутыми характеристиками часто возникают затруднения. Более того, эти два понятия на первый взгляд кажутся настолько похожими, что вносит только дополнительную путаницу. Попробуем внести ясность в этот вопрос на примерах как аналоговых, так и цифровых устройств.

[Вернуться в начало]

Определение

Фотографическая широта — максимально возможный диапазон внешних яркостей, которые может зафиксировать внутри одного кадра фотоустройство.

Динамический диапазон — максимально возможный полезный диапазон собственных оптических плотностей плёнки, фотобумаги и т.п. (или максимально возможный полезный диапазон количеств электронов, могущих помещаться в каждом пикселе электронной матрицы фотоустройства).

Таким образом, термин «фотографическая широта» применяется для оценки запечатлеваемого диапазона внешних яркостей, а динамический диапазон — для оценки физических свойств внутреннего носителя (оптическая плотность плёнки, ёмкость и шумность пикселей матрицы и т.п.). Чувствуете разницу?

В аналоговых устройствах фотографическая широта фотоплёнки не зависит от своего динамического диапазона, поскольку теоретически любой диапазон внешних яркостей может быть закодирован в сколь угодно небольшой диапазон оптических плотностей плёнки. Однако очевидно, что при большом диапазоне оптических плотностей, картинка будет выглядеть лучше и переходы между яркостями будут более качественными, поскольку на микроуровне плёнка всё же хоть и стохастична, но слегка дискретна, а информация о градациях должна где-то храниться.

В цифровых же устройствах изначальная строгая дискретность кодирования изображения является причиной чёткой зависимости фотографической широты от динамического диапазона матрицы. Дело в том, что пиксели матрицы во время экспозиции накапливают определённое количество электронов, линейно зависящее от внешней яркости. Количество электронов — конечное, от единиц до десятков тысяч. Больше определённого предела пиксель чисто физически вместить не сможет. Градация яркостей определяется именно этими количествами электронов. Электроны, когда их счёт идёт на единицы, не могут дать подобие аналоговой, плавно изменяющейся оптической плотности. Без заметной потери градаций, в электроны, число которых и так невелико, большую фотографическую широту не уместить. Вот она и привязана к этому количеству, и линейно от неё зависит. А это количество и есть динамический диапазон.

Из-за такой линейной зависимости понятие фотографической широты часто заменяется понятием динамического диапазона. К счастью, для цифровых фотоустройств это не критично. Однако, сравнивая их характеристики с характеристиками аналоговых фотоустройств, об этой особенности не следует забывать.

Если с матрицами всё просто, то отношения между фотографической широтой и динамическим диапазоном плёнки, как вы уже успели заметить, гораздо более сложны. Давайте подробнее рассмотрим их.

Предположим, что фотографическая широта у некоторой плёнки небольшая. Такая плёнка слишком засвечивается в ярких местах кадра и недостаточно — в тёмных. Если мы представим себе, как это происходит, то нам станет очевидно, что в тех местах, которые освещены средне, и не подверглись на плёнке пересвету или недосвету, градации яркости будут проработаны более качественно, чем могло бы быть на плёнке с большой фотографической широтой. Ведь небольшая фотографическая широта плёнки оказывается растянутой на весь её внутренний диапазон оптических плотностей (динамический диапазон). Именно поэтому профессиональные плёнки имеют меньшую фотографическую широту, чем любительские. По той же причине у профессиональных плёнок и диапазон оптических плотностей (динамический диапазон) пытаются сделать как можно шире. В любительских же плёнках за счёт большей фотографической широты фотографу прощается возможная ошибка в экспозиции, но в любом случае ухудшается качество световых переходов.

То же самое и с фотобумагой. Контрастная фотобумага имеет меньшую фотографическую широту, поэтому яркие места кадра становятся ещё ярче, а тёмные — ещё темнее. В целом, фотография становится контрастнее. Такая фотобумага применяется для серых, вялых негативов, имеющих небольшой динамический диапазон. Для резких же кадров с большим динамическим диапазоном больше подходит мягкая фотобумага, которая сможет вместить в себя весь динамический диапазон такого негатива.

Для подведения итога этой главы и закрепления материала, давайте рассмотрим определения фотографической широты и динамического диапазона в применении к различным фотоустройствам и фотоматериалам:

Фотографическая широта плёнки (контрастность) — способность её фиксировать некоторый диапазон внешних яркостей. Приблизительные значения для негативов 2,5-9 EV, для слайдов 2-4 EV, для киноплёнки 14EV.
Динамический диапазон плёнки (диапазон оптических плотностей) — её способность в некотором диапазоне изменять свою прозрачность (оптическую плотность) в зависимости от воздействия внешней яркости. Приблизительные значения для негативов 2-3D, для слайдов 3-4D.

Фотографическая широта фотобумаги (контрастность) — способность её фиксировать некоторый диапазон внешних яркостей (от фотоувеличителя). Типичные значения для чёрно-белых бумаг: 0,7 EV (контрастная) — 1,7 EV (мягкая).
Динамический диапазон фотобумаги (диапазон оптических плотностей) — её способность в некотором диапазоне изменять степень отражения (оптическую плотность) в зависимости от внешней яркости (от фотоувеличителя). Типичные значения 1,2-2,5D.

Фотографическая широта матрицы цифрового аппарата — способность её фиксировать некоторый диапазон внешних яркостей. У цифрокомпактов 7-8 EV, у зеркалок 10-12 EV.
Динамический диапазон матрицы цифрового фотоаппарата — способность пикселей матрицы в некотором количественном диапазоне накапливать разное количество электронов в зависимости от уровня внешней яркости. Динамический диапазон цифрокомпактов — 2,1-2,4D, зеркалок — 3-3,6D.

Фотографическая широта графического файла — Поскольку файл — это всего лишь способ хранения информации, то за счёт потери градаций в любой формат файла можно запихнуть любой диапазон внешних яркостей. Стандартные же величины у формата восьмибитного JPEG — это 8 EV, у HDRI (Radiance RGBE) — до 252 EV. От количества бит, выделяемых для хранения каждого пикселя, этот параметр зависит лишь косвенно, поскольку способ упаковки информации в эти биты у разных форматов может быть различен.
Динамический диапазон графического файла — способность файла хранить в себе некоторый диапазон значений каждого пикселя.

Фотографическая широта монитора — Поскольку монитор — это только устройство отображения, то применительно к нему этот параметр не имеет особого смысла. Ближайшим по смыслу параметром будет способность монитора отображать закодированный в графическом файле диапазон значений яркости. Но величина этого параметра зависит в основном от программы отображения и используемого цветового профиля, которые с тем или иным успехом втискивают всю (или не всю) фотографическую широту изображения, содержащуюся в файле, в рамки динамического диапазона монитора. Замечу, что чем большая фотоширота втиснута в динамический диапазон, тем менее контрастно выглядит изображение. Однако существует специальный метод коррекции (тональная компрессия), позволяющий при сохранении фотографической широты увеличить контрастность.
Динамический диапазон монитора (контрастность) — способность пикселя монитора в некотором диапазоне изменять свою яркость в зависимости от напряжения входящего сигнала. Динамический диапазон современных мониторов находится в пределах 2,3-3D (200:1 — 1000:1).

Фотографическая широта матрицы сканера — способность её фиксировать некоторый диапазон яркостей отражённого от бумаги или пропущенного через плёнку света. Составляет от 6-8 EV у офисных планшетных до 13-16 EV у профессиональных барабанных сканеров.
Динамический диапазон матрицы сканера — аналогично матрице фотоаппарата, способность пикселей матрицы сканера в некотором количественном диапазоне накапливать разное количество электронов в зависимости от яркости отражённого от бумаги или пропущенного через плёнку света. Динамический диапазон сканеров может принимать значения от 1,8-2,4D у офисных планшетников до 4-4,9D у профессиональных барабанных сканеров.

Примечание по сканеру: Поскольку лампа сканера создаёт постоянную освещённость сканируемого материала, верхняя граница яркости этого материала (абсолютно белый лист или полностью прозрачная плёнка) оказывается известной. Верхняя граница динамического диапазона матрицы сканера заводской калибровкой подгоняется под эту максимальную яркость. Следовательно, верхние края шкал фотографической широты сканера и динамического диапазона плёнки (с учётом её вуали) будут совпадать.

Принимая во внимание, что у цифрового устройства динамический диапазон равен фотографической широте, можно сказать, что будут совпадать верхние края шкал динамических диапазонов сканера и плёнки+вуаль. А значит, наложив их диапазоны друг на друга, мы сможем их корректно сравнить, и определить, сможет ли тот или иной сканер оцифровать плёнку, не обрубив её диапазон. Для справки: динамический диапазон вуали (максимальной прозрачности) фотоплёнок приблизительно составляет 0,1D, и эту цифру при сравнении следует прибавлять к динамическому диапазону плёнки.

Общее примечание: Не все вышеперечисленные словосочетания реально используются, но они упомянуты для полноты картины, чтобы яснее можно было прочувствовать разницу между фотографической широтой и динамическим диапазоном.

[Вернуться в начало]

Единицы измерения

Динамический диапазон измеряют по шкале, каждое следующее деление которой соответствует снижению измеряемого параметра в 10 раз, а фотографическую широту — по шкале, каждое следующее деление которой соответствует снижению измеряемого параметра в 2 раза.

Исходя из понятия логарифма (показатель степени, в которую надо возвести одно число, чтобы получить другое), обе эти шкалы являются логарифмическими. В первом случае используется логарифм по основанию 10 (десятичный логарифм — lg), во втором — по основанию 2 (двоичный логарифм — log₂).

Логарифмическая шкала — это удобный способ уложить огромный диапазон значений измеряемого параметра в компактном виде. Можно предположить, что к концу шкалы теряется её точность. Это так, но дело в том, что и органы чувств человека ведут себя так же. Глаз человека, например, может различить небольшой перепад в свете звёзд, но такой же в абсолютных числах перепад яркости двух ярких ламп глаз уже не зафиксирует.

Поэтому десятичный логарифм используется для соответствия каждого следующего деления шкалы динамического диапазона зрительному ощущению падения яркости в 2 раза при фактическом десятикратном падении величины измеряемого параметра, а двоичный — для соответствия каждого следующего деления шкалы фотографической широты зрительному ощущению равномерного падения яркости при падении вдвое количества света.

Размер динамического диапазона или фотографической широты записываются цифрой, обозначающей количество делений по соответствующей шкале между измеренными точками. При этом, если измерения проходят по шкале динамического диапазона, рядом с цифрой ставят обозначение D (2D, 2,7D, 4D, 4,2D), а если по шкале фотографической широты, то используется обозначение EV (Exposure Value — значение экспозиции) или просто количество ступеней или стопов (делений).

Часто динамический диапазон записывают в виде отношения, показывающего, во сколько раз между крайними точками диапазона происходит перепад измеряемого параметра, например 100:1 (2D) или 1000:1 (3D). Обычно такой способ записи применяется для указания контрастности мониторов.

Формула же для измерения полезного динамического диапазона следующая: динамический диапазон равен десятичному логарифму из отношения максимальной величины измеряемого параметра к минимальному, то есть уровню шума:

D = lg(Max/Min)

Формула вычисления фотографической широты аналогична, но вместо десятичного логарифма применяется двоичный.

Динамический диапазон цифровых устройств измеряют ещё и в децибелах. Способ измерения практически аналогичен вышеописанному, поскольку децибел — тоже логарифмическая величина, и тоже вычисляется через десятичный логарифм. Но значение в децибелах будет в 20 раз больше (1D = 20 дБ), и сейчас я объясню, почему.

Измерению в этом случае подвергается разница напряжений, в которые преобразовываются накопленные в каждом пикселе матрицы электроны. Впрочем, это напряжение пропорционально количеству накопленных электронов, но я упомянул напряжение не случайно. Дело в том, что в децибелах измеряют диапазоны только энергетических величин: мощностей, энергий и интенсивностей. И способ их вычисления полностью аналогичен вышеописанному за исключением умножения итогового числа на 10, потому что мы меряем не белы а децибелы, которые в 10 раз меньше.

Однако, существует возможность померить в децибелах и амплитудные величины, такие как напряжение, ток, импеданс, напряженности электрического или магнитного полей и размахи любых волновых процессов. Но для этого надо учесть зависимость от них соответствующей им энергетической величины. А зависимость эта всегда квадратичная.

Например, вычислим зависимость мощности от напряжения. Мощность равна квадрату напряжения делённого на сопротивление, то есть она зависит от напряжения квадратично. Увеличивая напряжение в 2 раза мощность увеличивается в 4 раза. Значит, чтобы сохранить мощностную пропорцию, придётся мерить диапазон не напряжений, а квадратов этих напряжений:

lg(U_max²/U_min²) = lg(U_max/U_min)² = 2*lg(U_max/U_min)

Мы получим значение в белах. Для перевода в децибелы умножаем на 10. В итоге полная формула принимает вид:

Децибелы = 20*lg(U_max/U_min)

Таким образом, у нас получается, что динамический диапазон в децибелах равен подсчитанному нами по шкале динамическому диапазону, умноженному на коэффициент 20.

Иногда из-за путаницы в терминологии динамический диапазон измеряют в единицах экспозиции (EV), ступенях или стопах, как фотографическую широту, а фотографическую широту — как динамический диапазон. Чтобы привести параметры к нормальному виду, приходится пересчитывать диапазон из одной шкалы в другую. Для этого необходимо вычислить цену деления одной шкалы в цифрах другой. Например, цену деления шкалы фотографической широты в цифрах шкалы динамического диапазона.

Поскольку деления шкалы представляют собой степени, вычислим, в какую степень надо возвести десятку (размерность шкалы динамического диапазона), чтобы получить двойку (размерность шкалы фотографической широты). Для этого берём десятичный логарифм от двойки и получаем искомый результат — цену одного деления шкалы фотографической широты в единицах шкалы динамического диапазона — приблизительно 0,301. Это число и будет коэффициентом перевода. Теперь, для перевода EV в D, следует EV умножить на 0,3, а для перевода из D в EV, следует D разделить на 0,3.

Замечу, что шкала фотографической широты применяется не только для измерения диапазонов, но и для измерения конкретных величин экспозиции. В этом случае шкала имеет условный ноль, который соответствует яркости света, падающего от объекта, освещённость которого составляет 2,5 люкса (для нормальной экспозиции объекта с таким освещением требуется диафрагма 1.0 и выдержка 1 сек. при чувствительности ISO 100). Таким образом, экспозиция вполне может принимать по этой шкале отрицательные значения в EV. Диапазон же, естественно, всегда положителен.

[Вернуться в начало]

Динамический диапазон. Фотоширота матрицы фотоаппарата

Представим окружающий мир в черно-белом виде: мы увидим, что между абсолютно белым и абсолютно черным цветом существует неисчислимое множество серого цвета, точнее его оттенков, или еще грамотнее сказать – тонов. К слову сказать, с точки зрения физики, в мире не существует абсолютно черной поверхности, которая полностью поглощала бы световой поток. Предметы, которые считаются черными, имеют отражательную способность близкую к нулевой.

Зрение человека легко отличает разнообразные оттенки в окраске облаков в небе, переходы в тенях от деревьев, изменение цвета на поверхности земли и прочее. Фотоширотой называется именно эта способность видеть тональные переходы и оттенки между самым белым (самым ярким) и самым черным (темным). Данное понятие еще называют «динамический диапазон».

Следовательно, динамический диапазон (фотоширота) – максимальный диапазон яркостей, которые может воспринимать матрица фотоаппарата. На самом деле, это достаточно важная характеристика.

Для того, чтобы на опыте понять, что же все-таки такое «динамический диапазон» можете провести следующий эксперимент. В полной темноте попробуйте рассмотреть лампочку маленького карманного фонарика. В связи с тем, что все предметы вокруг темные, лампочка фонарика будет казаться вам ярким пятном, в котором вряд ли получится рассмотреть какие-то детали. При дневном свете лампочку можно будет рассмотреть без проблем, несмотря на то, что она горит. То же самое произойдет, если, например, взять книгу и стать лицом к солнцу или другому источнику света. Если источник света разместить позади книги и позволить ему светить нам в глаза, то прочесть текст в книге будет также достаточно трудно.

Матрица фотоаппарата различает гораздо меньший динамический диапазон, чем человеческие глаза. Именно поэтому даже в очень качественном фотоснимке фотографу не удастся передать все видимые детали и оттенки снимаемой картины из-за ограниченной фотошироты. Также это является причиной того, что не имея большого опыта, бывает сложно подобрать правильную экспозицию. Конечно это звучит печально, но фотографу придется смириться с тем, что какое-то количество оттенков будет утеряно, и с этим ничего не поделаешь.

Правда данная проблема возникает только тогда, когда вы хотите сфотографировать какие-то объекты с большой разницей освещенности. В качестве примера можно привести темное или плохоосвещенное дерево на фоне яркого источника света или светлого неба. В этом случае придется чем-то пожертвовать: проэкспонировать дерево, но тогда источник света будет без деталей, либо потерять детали того, что расположено в тени. Кстати, последний вариант используют для специальных эффектов: попробуйте снять объект против света, измеряя уровень экспозиции по наибольшей освещенности – получится силуэт вашего объекта.

Тем самым такая съемка позволяет сделать акцент на форме объекта. Часто этот эффект используется в пейзажной съемке. Интересные фотографии получаются также при съемке силуэтов людей.

Фотографии от А до Я: динамический диапазон

Вы когда-нибудь делали снимок на восходе или закате, только чтобы обнаружить, что либо небо выглядит размытым, либо передний план представляет собой темный и грязный беспорядок без каких-либо видимых деталей?

В высококонтрастных сценах, подобных этой, самые яркие и самые темные части сцены намного более экстремальны, чем в типичный пасмурный день, и, хотя сенсор вашей камеры может захватывать широкий диапазон значений яркости, есть предел.

В этом случае динамический диапазон (диапазон интенсивности света от самых темных теней до самых ярких участков) сцены шире, чем то, что датчик может зафиксировать за один снимок.

Восход или закат — это так называемая сцена с широким динамическим диапазоном.

Восход или закат — это так называемая сцена с широким динамическим диапазоном, отображающая значительную разницу в экспозиции между светлыми и темными участками в кадре. Сцена с узким динамическим диапазоном имеет гораздо более тонкие различия между светлыми и темными областями, и поэтому сенсору камеры легче записывать полный диапазон тонов.

Датчики камеры и динамический диапазон

Когда вы делаете снимок, вы должны учитывать не только динамический диапазон сцены; Поскольку датчики камеры сильно различаются по размеру и конструкции, не все камеры могут захватывать одинаковый уровень динамического диапазона.

Датчики большего размера, которые обычно используются в зеркальных и беззеркальных камерах, обычно предлагают более широкий динамический диапазон, чем компактные камеры с меньшим датчиком, хотя, чтобы сделать вещи немного более сложными, конструкция датчика также играет свою роль. Камера одного производителя с датчиком APS-C 24 МП может работать лучше, чем камера другого производителя с таким же разрешением.

Современные камеры работают намного лучше, чем камеры более раннего поколения, и пока разница в яркости между самыми темными и самыми светлыми участками сцены находится в пределах динамического диапазона датчика, вы сможете записывать детали в обеих областях одновременно. вполне счастливо.

Используйте свою гистограмму

Обратите внимание на гистограмму — это отличное руководство для оценки динамического диапазона

Вы не всегда захотите снимать сцены с узким динамическим диапазоном, поэтому, чтобы оценить, может ли датчик вашей камеры справиться с высококонтрастными сценами с широким динамическим диапазоном, которые вы фотографируете, вы захотите использовать гистограмму камеры.

Вы можете вызвать гистограмму камеры в режиме Live View для предварительного просмотра в реальном времени, чтобы увидеть, соответствует ли динамический диапазон сцены (представленный гистограммой) динамическому диапазону сенсора (представленному шириной графика) ,Кроме того, при просмотре изображений вы можете взглянуть на гистограмму в режиме воспроизведения.

Главное здесь — обратить внимание на ребра графа. Если они «обрезаны» (касаются любого края) гистограммой, скорее всего, вы потеряли детали в тенях или светах.

Темные области соответствуют левой части графика, и если она обрезана, эти области на изображении будут казаться чисто черными, а правая часть — для светлых участков изображения. Если это будет обрезано, светлые участки изображения будут ярко-белыми и лишенными деталей.

Во многих случаях, если тени или светлые участки обрезаются, регулировка экспозиции сдвигает гистограмму влево или вправо и решает проблему.

Борьба с широким динамическим диапазоном

Однако будут и другие случаи, когда при работе со сценой с очень широким диапазоном яркости, как бы тщательно вы ни экспонировали изображение, гистограмма будет настолько широкой, что один или другой конец все равно останется обрезается.

Изображение 1 из 2

Без градуированного фильтра нейтральной плотности небо слишком размыто… Изображение 2 из 2

… но с одним динамический диапазон становится менее широким, что позволяет получить более сбалансированный снимок

К счастью, есть способы преодолеть это. Если вы имеете дело с экстремальным освещением в пейзаже, где небо намного ярче, чем передний план, градиентный фильтр нейтральной плотности — отличный способ сбалансировать сцену, чтобы ваша камера могла записывать полный динамический диапазон, не жертвуя драматизмом выстрел.

Между тем при портретной съемке с задней подсветкой, когда вы рискуете, что ваш объект станет невыразительным силуэтом, вы можете добавить вспышку заполняющей вспышки или использовать отражатель, чтобы отразить свет обратно на объект, чтобы преодолеть это.

Изображение 1 из 2

Снимайте в необработанном виде, и можно восстановить детали как в светлых, так и в теневых областях Изображение 2 из 2

Это файл до того, как было применено какое-либо конкретное восстановление теней или светов. Во избежание риска появления размытых светов и блокированных теней следует снимать в необработанном виде. Необработанные данные не подвергаются стандартной обработке JPEG, поэтому содержат гораздо больше информации, которую вы можете извлечь позже в таких программах, как Lightroom.

Используя ползунки восстановления светлых участков и теней в Lightroom, например, можно восстановить детали, которые кажутся потерянными, в то время как вы можете осветлять и затемнять определенные области с помощью градиентного фильтра и корректирующей кисти.

Сдвиньте тени слишком далеко, и вы увидите, что шум начинает вторгаться в изображение. Серьезность этого зависит от датчика, используемого для захвата кадра, при этом некоторые камеры предлагают большую свободу действий, чем другие, и позволяют вам ускорить восстановление до того, как изображение начнет ухудшаться.

Не забывайте использовать эти инструменты обработки в умеренных количествах, так как изображения могут выглядеть гиперреальными и неестественными, если вы зайдете слишком далеко с редактированием.

,

Как это влияет на вашу фотографию

Эта статья направлена ​​на ответ на вопрос: как размер сенсора вашей цифровой камеры влияет на различные типы фотографии? Ваш выбор размера сенсора аналогичен выбору между 35-мм, среднеформатными и широкоформатными пленочными камерами — с некоторыми заметными отличиями, присущими только цифровой технологии. По этой теме часто возникает большая путаница, потому что существует так много разных вариантов размера, и так много компромиссов, связанных с глубиной резкости, шумом изображения, дифракцией, стоимостью и размером / весом.

Справочную информацию по этой теме можно найти в учебнике по датчикам цифровых камер.

ОБЗОР РАЗМЕРОВ ДАТЧИКА

Размеры датчиков

в настоящее время имеют множество возможностей в зависимости от их использования, цены и желаемой портативности. Относительный размер многих из них показан ниже:

Серии 1Ds / 5D и Nikon D3 от Canon являются наиболее распространенными полнокадровыми датчиками. Все камеры Canon, такие как Rebel / 60D / 7D, имеют кроп-фактор 1,6X, тогда как у обычных зеркальных камер Nikon коэффициент кропа составляет 1.5-кратный кроп-фактор. В приведенной выше таблице исключен кроп-фактор 1,3X, который используется в камерах Canon серии 1D.

Камеры-телефоны и другие компактные камеры используют сенсоры размером от ~ 1/4 дюйма до 2/3 дюйма. Olympus, Fuji и Kodak объединились, чтобы создать стандартную систему 4/3, которая имеет вдвое больший кроп-фактор по сравнению с 35-мм пленкой. Существуют датчики среднего и большего размера, однако они гораздо менее распространены и в настоящее время чрезмерно дороги. Таким образом, они не будут здесь конкретно рассматриваться, но по-прежнему применяются те же принципы.

КОЭФФИЦИЕНТ УРОЖАЯ И МНОЖИТЕЛЬ ФОКУСНОЙ ДЛИНЫ

Кроп-фактор — это размер диагонали сенсора по сравнению с полнокадровым сенсором 35 мм . Это называется так, потому что при использовании объектива 35 мм такой датчик эффективно вырезает большую часть изображения снаружи (из-за своего ограниченного размера).

Полнокадровый угол обзора 35 мм

Сначала можно подумать, что отбрасывание информации об изображении никогда не бывает идеальным, однако у этого есть свои преимущества. Почти все линзы наиболее резкие в центре, а качество постепенно ухудшается по направлению к краям.Это означает, что кадрированный датчик эффективно отбрасывает части изображения с самым низким качеством , что весьма полезно при использовании линз низкого качества (поскольку они обычно имеют худшее качество краев).

Необрезанная фотография Центр кадрирования Угловая обрезка

С другой стороны, это также означает, что человек носит гораздо больший объектив, чем необходимо — фактор, особенно актуальный для тех, кто носит камеру в течение длительного времени (см. Раздел ниже). В идеале можно было бы использовать почти весь свет изображения, пропускаемый линзой, и эта линза должна быть достаточно высокого качества, чтобы изменение резкости по краям было незначительным.

Кроме того, у оптические характеристики широкоугольных объективов редко бывают такими же хорошими, как у более длинных фокусных расстояний . Поскольку кадрированный датчик вынужден использовать более широкоугольный объектив для получения того же угла обзора, что и более крупный датчик, это может ухудшить качество. Меньшие датчики также больше увеличивают центральную область объектива, поэтому предел разрешения, вероятно, будет более очевидным для объективов более низкого качества. Подробнее об этом см. В руководстве по качеству линз камеры.

Аналогично, множитель фокусного расстояния связывает фокусное расстояние объектива, используемого в меньшем формате, с объективом 35 мм, обеспечивающим эквивалентный угол обзора , и равен кроп-фактору.Это означает, что 50-миллиметровый объектив, используемый на датчике с кроп-фактором 1,6Х, будет обеспечивать такое же поле зрения, как линза 1,6 x 50 = 80 мм на 35-мм полнокадровом датчике.

Имейте в виду, что оба этих термина могут вводить в заблуждение. Фокусное расстояние объектива не изменяется только потому, что объектив используется с датчиком другого размера — только его угол обзора. Объектив 50 мм всегда является объективом 50 мм, независимо от типа датчика. В то же время «кроп-фактор» может не подходить для описания очень маленьких датчиков, потому что изображение не обязательно обрезано (при использовании линз, предназначенных для этого датчика).

РАЗМЕР И ВЕС ОБЪЕКТИВА

Для сенсоров меньшего размера требуются более светлые линзы (для эквивалентного угла обзора, диапазона увеличения, качества сборки и диапазона диафрагмы). Это различие может иметь решающее значение для съемки дикой природы, пеших прогулок и путешествий, поскольку во всех этих случаях часто используются более тяжелые линзы или требуется переноска оборудования в течение продолжительных периодов времени. В приведенной ниже таблице показана эта тенденция для ряда телеобъективов Canon, типичных для съемки спорта и дикой природы:

Смысл этого состоит в том, что если требуется, чтобы объект занимал ту же часть изображения на 35-мм камеру, как при использовании 200 мм f / 2.8 на камеру с 1,5-кратным кроп-фактором (требуется объектив 300 мм f / 2,8), придется нести в 3,5 раза больше веса! Это также игнорирует разницу в размерах между ними, что может быть важно, если кто-то не хочет привлекать внимание публики. Кроме того, более тяжелые линзы обычно стоят намного дороже.

Для зеркальных фотоаппаратов больший размер сенсора приводит к более крупным и четким изображениям в видоискателе, что может быть особенно полезно при ручной фокусировке. Однако они также будут тяжелее и будут стоить дороже, потому что для них требуется более крупная призма / пентазеркало для передачи света от объектива в видоискатель и к вашему глазу.

ГЛУБИНА ТРЕБОВАНИЙ

По мере увеличения размера сенсора глубина резкости уменьшается для данной апертуры (при заполнении кадра объектом того же размера и расстояния). Это связано с тем, что более крупные датчики требуют, чтобы один приблизился к их объекту или использовал большее фокусное расстояние, чтобы заполнить рамку этим объектом. Это означает, что необходимо использовать все меньшие размеры апертуры, чтобы поддерживать ту же глубину резкости на более крупных датчиках.Следующий калькулятор рассчитывает необходимую диафрагму и фокусное расстояние для достижения той же глубины резкости (при сохранении перспективы).

* Если желательна такая же перспектива.

В качестве примера расчета, если кто-то хочет воспроизвести такую ​​же перспективу и глубину резкости на полнокадровом датчике, как и при использовании 10-миллиметрового объектива при f / 11 на камере с кроп-фактором 1,6X, необходимо использовать объектив 16 мм и диафрагма примерно f / 18. В качестве альтернативы, если вы использовали 50 мм f / 1.4 на полнокадровом сенсоре, это даст настолько малую глубину резкости, что потребовалось бы диафрагма 0,9 на камере с кроп-фактором 1,6X, что невозможно с потребительскими объективами!

Портрет
(неглубокая глубина резкости) Пейзаж
(большая глубина резкости)

Меньшая глубина резкости может быть желательной для портретов, поскольку она улучшает размытие фона, тогда как большая глубина резкости желательна для пейзажной фотографии. Вот почему компактные камеры с трудом создают значительное размытие фона на портретах, в то время как широкоформатные камеры с трудом обеспечивают адекватную глубину резкости в пейзажах.

Обратите внимание, что в приведенном выше калькуляторе предполагается, что у вас есть объектив на новом датчике (№2), который может воспроизводить тот же угол обзора, что и на исходном датчике (№1). Если вместо этого вы используете тот же объектив, то требования к диафрагме останутся прежними (но вам придется подойти ближе к объекту). Однако этот вариант также меняет перспективу.

ВЛИЯНИЕ ДИФРАКЦИИ

Сенсоры большего размера могут использовать меньшие апертуры до того, как дифракционный диск Эйри станет больше, чем круг нерезкости (определяется размером отпечатка и критериями резкости).Это в первую очередь потому, что более крупные датчики не нужно увеличивать так сильно, чтобы добиться того же размера печати. В качестве примера: теоретически можно использовать цифровой датчик размером до 8×10 дюймов, поэтому его изображение вообще не нужно увеличивать для печати 8×10 дюймов, тогда как датчик 35 мм потребует значительного увеличения.

Используйте следующий калькулятор, чтобы оценить, когда дифракция начинает снижать резкость. Обратите внимание, что это отображается только тогда, когда дифракция будет видна при просмотре на экране на 100% — будет ли она заметна на окончательном отпечатке, также зависит от расстояния просмотра и размера печати.Чтобы рассчитать это, посетите: дифракционные пределы и фотография.

Имейте в виду, что дифракция возникает постепенно, поэтому апертуры немного больше или меньше, чем указанный выше предел дифракции, не сразу будут выглядеть лучше или хуже, соответственно. Кроме того, вышесказанное является лишь теоретическим пределом; фактические результаты также будут зависеть от характеристик объектива. Следующие диаграммы показывают размер воздушного диска (теоретическая максимальная разрешающая способность) для двух апертур на сетке, представляющей размер пикселя:

Пределы плотности пикселей Разрешение
(Требование малой глубины резкости) Разрешение пределов диска Эйри
(требование глубокой глубины резкости)

Важным следствием приведенных выше результатов является то, что размер пикселя, ограниченный дифракцией, увеличивается для более крупных датчиков (если требования к глубине резкости остаются прежними).Этот размер пикселя относится к тому моменту, когда размер воздушного диска становится ограничивающим фактором в общем разрешении, а не плотность пикселей. Кроме того, ограниченная дифракцией глубина резкости постоянна для сенсоров всех размеров. Этот фактор может иметь решающее значение при выборе новой камеры для предполагаемого использования, поскольку большее количество пикселей не обязательно обеспечивает большее разрешение (для ваших требований к глубине резкости). Фактически, большее количество пикселей может даже ухудшить качество изображения из-за увеличения шума и уменьшения динамического диапазона (следующий раздел).

РАЗМЕР ПИКСЕЛЯ: УРОВНИ ШУМА И ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН

Датчики большего размера обычно также имеют более крупные пиксели (хотя это не всегда так), что дает им возможность производить более низкий уровень шума изображения и иметь более высокий динамический диапазон. Динамический диапазон описывает диапазон тонов, которые датчик может улавливать ниже, когда пиксель становится полностью белым, но еще выше, когда текстура не различима от фонового шума (почти черный). Поскольку более крупные пиксели имеют больший объем и, следовательно, больший диапазон фотонной емкости, они обычно имеют более высокий динамический диапазон.

Примечание: полости показаны без цветных фильтров

Кроме того, более крупные пиксели получают больший поток фотонов в течение заданного времени экспозиции (при той же диафрагме), поэтому их световой сигнал намного сильнее. При заданном уровне фонового шума это дает более высокое отношение сигнал / шум и, следовательно, более гладкую фотографию.

пикселей большего размера
(с большим сенсором) пикселей меньшего размера
(с меньшим датчиком)

Это не всегда так, потому что количество фонового шума также зависит от процесса изготовления сенсора и от того, насколько эффективно камера извлекает тональную информацию из каждого пикселя (без введения дополнительного шума).Однако в целом указанная тенденция сохраняется. Другой аспект, который следует учитывать, заключается в том, что , даже если два датчика имеют одинаковый кажущийся шум при просмотре на 100%, датчик с большим количеством пикселей будет производить более чистый вид окончательной печати . Это связано с тем, что шум увеличивается меньше для датчика с большим количеством пикселей (для данного размера печати), поэтому этот шум имеет более высокую частоту и, следовательно, выглядит более мелкозернистым.

СТОИМОСТЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ДАТЧИКОВ

Стоимость цифрового датчика резко возрастает по мере увеличения его площади.Это означает, что датчик с вдвое большей площадью будет стоить более чем в два раза дороже, поэтому вы фактически платите больше за единицу «площади датчика» при переходе к более крупным размерам.

Кремниевая пластина
(разделена на небольшие датчики) Кремниевая пластина
(разделена на большие датчики)

Это можно понять, посмотрев, как производители делают свои цифровые датчики. Каждый датчик вырезан из большего листа кремниевого материала, называемого пластиной, которая может содержать тысячи отдельных микросхем. Каждая пластина чрезвычайно дорога (тысячи долларов), поэтому меньшее количество микросхем на пластину приводит к гораздо более высокой стоимости одного кристалла.Кроме того, вероятность того, что неисправный дефект (слишком много горячих пикселей или иначе) окажется в данном датчике, увеличивается с увеличением площади датчика, поэтому процент используемых датчиков снижается с увеличением площади датчика (выход на пластину). Если предположить, что эти факторы (количество чипов на пластину и выход) являются наиболее важными, затраты увеличиваются пропорционально квадрату площади сенсора (сенсор в 2 раза больше стоит в 4 раза больше). В реальном производстве соотношение размеров и затрат более сложное, но это дает вам представление о резком росте затрат.

Это не означает, что датчики некоторых размеров всегда будут чрезмерно дорогими; их цена может со временем упасть, но относительная стоимость датчика большего размера, вероятно, останется значительно более высокой (на единицу площади) по сравнению с датчиком меньшего размера.

ДРУГИЕ СООБРАЖЕНИЯ

Некоторые объективы доступны только для определенных размеров сенсора (или могут работать не так, как задумано в противном случае), что также может быть рассмотрено, если они помогут вашему стилю фотографии.Одним из примечательных типов являются линзы с наклоном / сдвигом, которые позволяют увеличивать (или уменьшать) видимую глубину резкости с помощью функции наклона. Объективы с наклоном / сдвигом также могут использовать сдвиг для управления перспективой и уменьшения (или устранения) сходящихся вертикальных линий, вызванных наведением камеры выше или ниже горизонта (полезно в архитектурной фотографии). Кроме того, светосильные сверхширокоугольные объективы (f / 2,8 или больше) не так распространены для кадрированных сенсоров, что может быть решающим фактором при необходимости в спорте или фотожурналистике.

ВЫВОДЫ: ОБЩИЕ ДЕТАЛИ ИЗОБРАЖЕНИЯ И КОНКУРЕНТНЫЕ ФАКТОРЫ

Глубина резкости намного меньше для сенсоров большего формата, однако можно также использовать меньшую апертуру до достижения дифракционного предела (для выбранных вами размера печати и критериев резкости). Итак, какой вариант может дать самую детальную фотографию? Большие сенсоры (и, соответственно, большее количество пикселей), несомненно, дают больше деталей, если вы можете позволить себе жертвовать глубиной резкости. С другой стороны, , если вы хотите поддерживать ту же глубину резкости, большие размеры сенсора не обязательно имеют преимущество в разрешении .Кроме того, ограниченная дифракцией глубина резкости одинакова для всех размеров сенсора . Другими словами, если бы кто-то использовал наименьшую апертуру до того, как дифракция стала значительной, все размеры сенсоров дали бы одинаковую глубину резкости — даже если дифракционная ограниченная диафрагма будет другой.

Технические примечания : Этот результат предполагает, что размер вашего пикселя сопоставим с размером ограниченного дифракцией воздушного диска для каждого рассматриваемого датчика, и что каждый объектив имеет сопоставимое качество.Кроме того, функция наклона объектива гораздо более распространена в камерах большего формата — она ​​позволяет изменять угол фокальной плоскости и, следовательно, увеличивать видимую DoF.

Другим важным результатом является то, что , если глубина резкости является ограничивающим фактором, необходимое время экспозиции увеличивается с увеличением размера сенсора при той же чувствительности. Этот фактор, вероятно, наиболее актуален для макросъемки и ночной фотографии. Обратите внимание, что даже если фотографии можно делать с рук в меньшем формате, те же самые фотографии не обязательно могут быть сняты с рук в большем формате.

С другой стороны, время экспозиции не обязательно может увеличиваться так сильно, как можно было изначально предположить, потому что более крупные датчики обычно имеют меньший шум (и, таким образом, могут позволить себе использовать более высокую чувствительность ISO при сохранении аналогичного воспринимаемого шума).

В идеале воспринимаемый уровень шума (при заданном размере отпечатка) обычно уменьшается с более крупными датчиками цифровой камеры (независимо от размера пикселя) .

Независимо от размера пикселя, более крупные сенсоры неизбежно имеют большую площадь сбора света.Теоретически более крупный сенсор с меньшими пикселями по-прежнему будет иметь меньший видимый шум (для данного размера печати), чем меньший сенсор с более крупными пикселями (и, как следствие, гораздо меньшее общее количество пикселей). Это связано с тем, что шум в камере с более высоким разрешением увеличивается меньше, даже если он может выглядеть более шумным на 100% на экране вашего компьютера. В качестве альтернативы, можно было бы предположительно усреднить соседние пиксели в датчике с большим количеством пикселей (тем самым уменьшая случайный шум), при этом достигая разрешения датчика с меньшим количеством пикселей.Вот почему уменьшенные изображения для Интернета и мелкие отпечатки выглядят так без шума.

Технические примечания : Все это предполагает, что различия в эффективности микролинз и расстоянии между пикселями незначительны. Если расстояние между пикселями должно оставаться постоянным (из-за считывания и других схем на кристалле), то более высокая плотность пикселей приведет к уменьшению площади сбора света, если микролинзы не смогут компенсировать эту потерю. Кроме того, это игнорирует влияние фиксированного рисунка или шума темнового тока, который может значительно различаться в зависимости от модели камеры и схемы считывания.

В целом: более крупные сенсоры обычно обеспечивают больший контроль и большую художественную гибкость, но за счет того, что требуются более крупные линзы и более дорогое оборудование . Эта гибкость позволяет создать меньшую глубину резкости, чем это возможно с меньшим датчиком (при желании), но все же достичь сопоставимой глубины резкости с меньшим датчиком, используя более высокую чувствительность ISO и меньшую диафрагму (или при использовании штатива). ).

,

Введение в технологию цифровых фотоаппаратов | Учиться и делиться

К сожалению, шум — это фундамент физики, который влияет на все сигналы. Воздействие и тип доминирующего шума различаются для разных типов датчиков. Обычно шум камеры можно разделить на три основных класса в зависимости от их источника:

Темновой шум — также известный как темновой ток — это основной шум, присутствующий в датчике. Темный шум вызван тепловой энергией кремния, произвольно генерирующей электроны в пикселях.Темный шум нарастает в пикселях со временем экспозиции. Он выражается в электронах на пиксель в секунду (э- / пикс / сек). Это не так важно для быстрых приложений с коротким временем выдержки. Когда дело доходит до длительного времени выдержки, например одна секунда или более для слабых флуоресцентных сигналов, этот тип шума может стать серьезной проблемой. Темновой шум снижается за счет охлаждения сенсора, уменьшая темновой ток вдвое с каждыми 8 градусами охлаждения (рис. 3).

Шум чтения возникает из-за электрической схемы считывания датчика, участвующего в количественной оценке сигнала.Как показывает практика, шум чтения можно уменьшить, уменьшив скорость считывания пикселей. Эта частота считывания пикселей определяет, насколько быстро заряд может считываться с датчика (единица измерения: МГц). Поскольку это определяет частоту кадров камеры, шум считывания должен быть принят во внимание для быстрых экспериментов, таких как высокоскоростная покадровая съемка живых клеток. Некоторые камеры предлагают возможность изменять скорость считывания, что позволяет оптимизировать камеры для режима быстрого считывания или более медленных режимов с низким уровнем шума для приложений с низкой освещенностью.Единица шума чтения e ^— и не зависит от времени интегрирования. Шум считывания вместе с темновым шумом можно использовать, чтобы решить, подходит ли конкретная камера для применения при низкой освещенности или флуоресценции.

Дробовой шум фотонов , как еще один источник шума, основан на неточности в подсчете входящих фотонов. Другими словами, он возникает из-за стохастической природы воздействия фотона на датчик, но не вносится самим датчиком. Лучше всего это объяснить, представив, что вы пытаетесь ловить капли дождя ведрами.Даже если все ведра одинакового размера и формы, не каждое ведро улавливает точно такое же количество капель, поэтому обнаружение фотонов на чипе можно визуализировать как распределение Пуассона .

В условиях низкой освещенности, таких как флуоресцентная визуализация, когда интенсивность сигнала низкая, различные источники шума могут иметь большое влияние на качество изображения, поскольку они влияют на соотношение сигнал / шум. Поэтому для получения хороших изображений необходимо использовать правильную камеру для приложения.

Отношение сигнал / шум (SNR) — это мера общего качества изображения, на которое сильно влияет тип датчика. В общих чертах это можно обозначить как его чувствительность. Хотя это может быть довольно сложно, SNR выражает, насколько хорошо интересующий сигнал отличается от фонового шума (рис. 4). Здесь необходимо изучить несколько факторов, поскольку сигнал зависит от количества фотонов, поступающих на датчик, в сочетании со способностью датчика преобразовывать эти фотоны в сигнал и от того, насколько хорошо камера может подавлять нежелательный шум.Вот почему e. грамм. Здесь важную роль играют фактор заполнения и микролинзы, а также квантовая эффективность сенсора (см. раздел «Квантовая эффективность»).

,

Создание изображений с расширенным динамическим диапазоном с помощью современных промышленных камер

В то время как разрешение и скорость (частота кадров) были классическими критериями при выборе подходящей промышленной камеры, чувствительность и динамический диапазон становятся все более важными, особенно для камер, используемых в автомобильном секторе. В частности, реальные сцены со значительным изменением яркости (например, вождение) выигрывают от преимуществ, предлагаемых датчиком с широким динамическим диапазоном.Возьмем, к примеру, автомобиль, выезжающий из туннеля на яркий дневной свет: датчики с низким динамическим диапазоном обычно выдают изображения, которые в значительной степени недоэкспонированы или переэкспонированы, что означает потерю деталей (т.е. данных) из этих областей. Если системы помощи водителю полагаются на эти данные, такая потеря может оказаться фатальной. Здесь абсолютно необходимо реализовать максимально возможный динамический диапазон, чтобы получить важные детали как в очень ярких, так и в очень темных областях.

Увеличение динамического диапазона: два подхода

Для увеличения динамического диапазона конечных изображений в основном возможны два подхода: аппаратные улучшения для увеличения динамического диапазона датчика и улучшения с помощью программных алгоритмов.

Динамический диапазон датчика CMOS зависит от максимального количества электронов, которое пиксели датчика могут удерживать до тех пор, пока они не станут насыщенными (емкость насыщения), и темнового шума пикселя (т. Е. Шума, возникающего при считывании заряда). Таким образом, чтобы реализовать увеличение динамического диапазона, можно попытаться еще больше уменьшить темновой шум или увеличить емкость насыщения. В то время как темновой шум зависит от электроники датчика, увеличение насыщенности пикселя может быть достигнуто либо за счет более крупных пикселей (поскольку большая площадь поверхности пикселя означает воздействие большего количества фотонов, тем самым генерируя больший заряд), либо за счет внутренних улучшений структуры пикселей.Недавно сенсорная технология Sony Pregius, в частности, убедительно продемонстрировала без изменения размера пикселя, что улучшение дизайна пикселей с одновременным уменьшением темнового шума может обеспечить значительное увеличение динамического диапазона. Датчик Sony IMX 265 Pregius, например, обеспечивает динамический диапазон 70,5 дБ при размере пикселя 3,45 мкм. Следствием более высокой емкости насыщения является расширенный диапазон измерения, который может покрывать пиксель. Для того, чтобы соответствующим образом квантовать этот больший диапазон, для современных датчиков CMOS обычно требуется более 8 бит; датчик Sony IMX 264, например, выдает 12-битный квантованный сигнал.

Улучшения динамического диапазона с помощью алгоритмов

Помимо улучшения самих датчиков, можно алгоритмически увеличить динамический диапазон. Эти алгоритмические улучшения основаны на данных изображения, полученных с использованием разного времени экспозиции. Вероятно, наиболее известный метод этого типа использует «изменяющуюся во времени экспозицию» (т.е. несколько полных изображений, полученных с разным временем экспозиции) в качестве основы данных. Этот метод сейчас используется во многих смартфонах и распространенных программах обработки изображений, а также в фотографии и поэтому известен широкой аудитории за пределами рынка машинного зрения.

Основное предположение заключается в том, что конечные значения пикселей датчика приблизительно линейно зависят от количества падающего света и времени экспозиции, так что, если пиксель не насыщен, количество падающего света (или количество, пропорциональное ему) равно определяется для известного времени выдержки. В случае насыщенных пикселей соответствующие значения пикселей используются для более короткого времени экспозиции. Таким образом, количество падающего света может быть определено для большей площади, чем было бы в случае только одной экспозиции.Преимущество последовательности экспонирования заключается в том, что яркость можно определять в расширенном диапазоне без какой-либо потери местного разрешения. Тем не менее, важно помнить, что необходимо многократное время экспонирования, что может привести к нежелательным артефактам, особенно в случае движущихся объектов (например, двоение изображения).

Современные КМОП-сенсоры, такие как Sony Pregius, обычно имеют функции мультиэкспозиции для получения исходных изображений с разным временем выдержки без необходимости вручную изменять время выдержки между снимками.

Пространственно изменяющаяся экспозиция

Чтобы избежать артефактов, вызванных многократной экспозицией, современные сенсоры предлагают технологию «пространственно изменяющейся экспозиции». Этот метод позволяет экспонировать определенные группы пикселей на датчике с разным временем экспозиции. Например, в распространенном варианте поочередно экспонируются две строки изображения с разным временем экспонирования. Поскольку экспозиции начинаются одновременно, артефакты, вызванные движением внутри сцены, сводятся к минимуму. Однако в этом случае нет соответствия 1: 1 пикселей, экспонированных по-разному, и пиксели окончательного HDR-изображения должны вычисляться с помощью интерполяции.Этот процесс неизбежно означает потерю разрешения и может привести к артефактам, особенно вдоль краевых структур. Кроме того, расчет окончательного изображения с помощью необходимой интерполяции требует больших вычислительных ресурсов, чем расчет данных из серии экспозиций.

Отображение изображений HDR и тональное отображение

При отображении изображений HDR часто напрямую сталкивается (по сравнению с визуальным восприятием человека) небольшой динамический диапазон, предлагаемый устройствами отображения.Хотя сейчас доступны HDR-дисплеи с более широким динамическим диапазоном, они все еще далеки от широкого распространения. Если изображение HDR должно отображаться на устройстве с более низким динамическим диапазоном, его динамический диапазон должен быть уменьшен с помощью процесса, называемого тональным отображением. Как должно происходить сокращение, четко не определено, но зависит от желаемой цели. Это может быть, например, наилучшее возможное приближение к реальным характеристикам сцены или достижение определенного субъективного художественного качества. В основном, различают глобальные и локальные алгоритмы тонального отображения.В случае глобальных алгоритмов одно и то же преобразование выполняется для всех пикселей независимо от местоположения, что делает эти алгоритмы очень эффективными и позволяет обрабатывать данные в реальном времени. Локальные алгоритмы действуют в окрестностях локальных пикселей и пытаются, например, поддерживать максимально возможный контраст в этих окрестностях. Алгоритмы локального отображения тонов более интенсивны для ЦП, но обычно позволяют получать изображения с более высокой контрастностью.

Источник изображения давно осознал важность максимального динамического диапазона для приложений машинного зрения и поэтому предлагает получение данных изображения HDR, а также визуализацию или сохранение данных с помощью тонального отображения в своих программных продуктах и ​​интерфейсах программирования для конечных пользователей.Много часов программирования было потрачено на создание удобных для пользователя алгоритмов, результатом которых стали автоматические режимы для алгоритмов, которые автоматически адаптируют все параметры к сцене и не требуют вмешательства пользователя, обеспечивая высококонтрастные снимки с яркими естественными цветами. В частности, при поддержке камеры программное обеспечение конечного пользователя IC Measure использует функции HDR в качестве стандартных и представляет пользователю изображения HDR.

Вышеупомянутая статья, написанная Dr.Оливер Флейшманн (руководитель проекта в The Imaging Source) был опубликован в выпуске за апрель 2018 г. (02 2018 г.) немецкоязычного отраслевого журнала inspect под заголовком «Построение изображений с расширенным динамическим диапазоном в современных промышленных камерах».

Поделитесь этим сообщением со своими друзьями и коллегами:

,