Динамический диапазон это: Что такое динамический диапазон в цифровой фотографии

Что такое динамический диапазон в цифровой фотографии

Многие начинающие фотографы даже не догадываются о наличии такого понятия в фотоделе как динамический диапазон (ДД). Некоторые пользователи фотоаппаратов или те, кто иногда фотографирует пейзажи хотя бы на смартфон, замечали наличие провалов в тенях или крайне пересвеченные области. Сталкивались с тем, что настроить фотоаппарат для получения проработанных деталей одновременно в тенях и светах практически невозможно. Причина тому – динамический диапазон фотоаппарата или фотокамеры смартфона.

Динамический диапазон и его значимость

Что же это такое? Динамический диапазон в фотографии – это способность фотосенсора запечатлеть в одном кадре одновременно крайне светлые и крайне темные участки с различимыми деталями в них. Человеческий глаз обладает гораздо более широким диапазоном, чем фотокамера, благодаря чему мы видим детали в тенях, одновременно легко различаем предметы при ярком освещении. Мы хорошо видим собеседника, стоящего около окна, одновременно с этим можем лицезреть пейзаж за окном, даже в солнечную погоду.

Добиться такого на фотографии, без использования хитрых приемом, практически невозможно.

Технологии хотя и не стоят на месте, производители фотокамер непрерывно предпринимают меры для достижения значимых результатов, но достичь показателей по динамическому диапазону сравни человеческому зрению пока не получается. Наилучшие результаты можно заметить на полнокадровых фотоаппаратах, еще лучше дела с этим обстоят у пленочных фотокамер.

Узкий динамический диапазон фотоаппарата не позволяет фотографу раскрыть весь замысел произведения. Часто бывает, что мы замечаем вокруг себя красивейший пейзаж, решаем его запечатлеть. Позже, при просмотре отснятого материала, сильно разочаровываемся, увидев результат, в котором наблюдаются значительные провалы в тенях или светах, с потерей деталей. В случае фотографирования не для себя, для показа зрителям, необходимо передать те впечатления и эмоции, которые испытывает фотограф сам на месте съемки. С высококонтрастными изображениями сделать это бывает крайне сложно, если не пользоваться некоторыми приемами по расширению динамического диапазона.

Как измерить динамический диапазон

Производители фотоаппаратов не указывают этот параметр в документации. Чтобы знать насколько широк динамический диапазон той или иной камеры необходимо производить специальные замеры в лабораторных условиях. Единица измерения ДД – EV, это одна ступень экспозиции. Обычно для зеркальных фотоаппаратов динамический диапазон равен около 12 EV. Это означает, что между самыми темными участками кадра и самыми светлыми разница в 12 ступеней экспозиции. Математика, да и только. Ведь данные, полученные в ходе подобных замеров верны только для определенных условий, определенного освещения и минимальной светочувствительности. Но где найти фотографа, работающего в идеальных условиях? Даже зная динамический диапазон своего фотоаппарата, его трудно применить на практике, поскольку измерить динамический диапазон окружающего пространства практически нереально и абсолютно бессмысленно с практической точки зрения.

Напротив, нередко бывает так, что художественная задумка автора состоит как раз в использовании узкого динамического диапазона. Дело в том, что широкий динамический диапазон, позволяя получить больше деталей на снимке, делает снимок менее контрастным. А когда контраст задуман автором изначально, деталями в любом случае придется жертвовать. Контраст – это некий компромисс динамическому диапазону.

Итак, измерение динамического диапазона сцены или получаемой фотографии не столь важно с практической точки зрения. Когда есть понимание, что съемка в полдень в солнечную погоду приведет к контрастным снимкам, а фотография объекта в пасмурный день, напротив, позволяет получить малоконтрастный снимок с наименьшей потерей деталей, то замер точного динамического диапазона не даст ничего большего. В случае наличия сомнений в возможностях фотоаппарата зафиксировать все тона сцены на одном снимке – от теней до света, правильным действием будет изучить гистограмму. Это позволяет сделать практически любой современный цифровой фотоаппарат, включая смартфон.

Что из себя представляет гистограмма? Гистограмма – это некая шкала, на которой располагается график. График показывает соотношение количества пикселей разных тонов, которые участвовали в «построении» кадра. Если график вписывается в шкалу полностью, это означает, что все детали изображения будут проработаны и видны, на кадре нет абсолютно белых и абсолютно черных пикселей. В противном же случае, если график преимущественно смещен в одну из сторон – влево или вправо, это будет означать, что в кадре доминируют черные или белые цвета, что часто говорит о провалах в тенях или светах. Такой важный инструмент фотоаппарата, как гистограмма, несомненно должен быть использован для анализа возможности динамического диапазона камеры запечатлеть планируемый кадр. Если гистограмма показала, что сенсор справляется с условиями сцены, то можно смело снимать, не боясь загубить кадр. Однако стоит помнить, что львиную долю успеха для конечной фотографии составляет ее постобработка.

Как правильно работать с ДД

Если сцена сложна и вы заранее понимаете, что получить проработанную во всех тонах фотографию не получится, то стоит прибегнуть к использованию некоторых приемов.

Вы можете переманить узкий динамический диапазон на свою сторону. Принимая во внимание ограниченность фотоаппарата, продумайте, какими деталями кадра вы могли бы пожертвовать. Часто хорошо работает способ, когда тени «загоняют» в абсолютную черноту, однако за счет этого получают красивые, проработанные области света. Общий итог – качественная фотография, которая не отвлекает внимание зрителя на лишние детали. Зритель воспринимает темную область как отсутствие в ней смысловой нагрузки, тем самым сразу переходит к просмотру основного объекта съемки.

Другим способом съемки с поправкой на динамический диапазон фотоаппарата является изменение условий съемки. В качестве примера представим снимок деревьев в лесу и солнца над этими деревьями. Это явный пример сцены, в которой при экспозамере по тону деревьев небо получится выбеленным и лишенным шарма. Однако фокусировку (и соответственно замер освещения сцены) все равно необходимо производить по деревьям, так как они являются главным объектом. Как можно поступить для изменения условий освещения? Вы можете перекадрировать снимок, чтобы солнце светило сквозь деревья, чтобы листва пропускала солнечные лучи. Получится эффектный снимок, в котором все также будут присутствовать и солнце и деревья, но солнечный свет в итоге получится рассеянным – гистограмма перестанет превалировать в переэкспонирование. Подобно разобранному примеру, всегда существует способ изменить световую схему на более выгодную.

Следующий совет будет банальным, но существуют так называемые «золотые часы» для съемки, именно в это время проблем для динамического диапазона возникнуть просто не должно. Также если отсутствует нужда и можно произвести съемку в более пасмурную погоду, то такой вариант нужно рассматривать как наиболее предпочтительный. Естественный рассеиватель – тучи и облака, сделают свое дело.

При выборе области для дальнейшего восстановления деталей в фоторедакторе, помните, что «вытянуть» тени всегда проще, чем проявить утерянные детали из пересвеченной области.

Для увеличения потенциала постобрабоки важно иметь качественный источник. Когда дело касается большего сохранения деталей, то победа стоит всегда за форматом RAW. Это сырой формат исходника снимка. Информация, собранная матрицей, фиксируется именно в данном формате, лишь потом, автоматикой камеры преобразуется в JPEG, при это в разы теряя в динамическом диапазоне. Если матрица способна фиксировать около 12 стопов, то JPEG около 8. Сохраняйте снимки в RAW и получите больший простор для творчества в фоторедакторе.

Следующий способ расширения динамического диапазона фотографии заключается в использовании градиентных фильтров. Часто их используют пейзажисты, страдающие от контраста между небом и землей в кадре. Закрепленный перед передней линзой, градиентный фильтр затемняет верхнюю часть кадра (неба) и не создает помех нижней части. Получаются отличные снимки с красивыми одновременно проработанными в кадре небом и землей.

Самым распространённым способом расширения динамического диапазона фотографии выступает съемка в HDR.

Это программная возможность, часто заложенная в функционал фотоаппарата, создания кадра из трех отснятых одна за другой фотографией с разной экспозицией: нормальной, заниженной и завышенной. Съемка трех данных кадров производится без разрыва между ними, чтобы не допустить смещения объектов в кадре. Постобработка отснятых кадров заключается в использовании трех областей освещенности – средних тонов из первого кадра, теней из переэкспонированного, светов – из недоэкспонированного. Как итог – проработанный по всем областям снимок, в котором отсутствуют провалы по теням и светам.

Стоит отметить, что при отсутствии программно заложенного алгоритма создания HDR-снимков в фотокамере, подобное «сведение» без труда можно выполнить самостоятельно при помощи сторонних программ, в том числе в редакторе Adobe Photoshop. Важно помнить, что возможность расширять динамический диапазон фотографии подобным образом некоторых приводит к желанию применить эффект чрезмерно. И если на заре HDR-фотографий это считалось изюминкой, то сегодня ценится естественность, способность передать реальную атмосферу с места съемки.

Для съемки трех кадров с разной экспозицией вручную существует такая функция, как брекетинг экспозиции (по-другому, вилка экспозиции). Ее часто можно найти в основных настройках и с помощью диска выбора развести риски второго и третьего снимка в разные стороны от нулевого значения. Затем необходимо выставить серийную съемку и с ее помощью произвести фотографирование трех кадров. В случае отсутствия и такой возможности, воспользуйтесь штативом и в режиме приоритета выдержки произведите съемку трех кадров с разницей в нужное количество стопов.

Несколько советов для съемки в условиях высокого контраста:

• Стремитесь снимать при минимальной светочувствительности (ISO). Динамический диапазон матрицы заметно сужается при повышении данного параметра;
• Выстраивайте экспозицию так, чтобы при неизбежной потере деталей они были утеряны в тенях. Тени обладают большим по отношению к светам потенциалу по проявке. При этом детали возможно проявить даже при формате JPEG. Снижение же яркости света с целью проявки деталей приведет к печальному результату;
• Не жалейте место на карте памяти – фотографируйте в RAW, при наличии сомнений относительно ДД;
• Помните, что монитор тоже обладает таким понятием как динамический диапазон, заложенный в RAW формат потенциал не всегда можно оценить на мониторе;
• По возможности анализируйте сцену на предмет возможности изменить световую схему или обратить узкий ДД в пользу результата.

Производители фотокамер тратят миллионы долларов на разработку новых технологий. Гонка за количеством мегапикселей закончилась удовлетворением пользователей и пониманием отсутствия необходимости в большем их количестве. Сегодняшние заботы по расширению динамического диапазона оправданы и важны. Потому, при планировании покупки новой камеры изучайте инновации, примененные при ее создании. Старайтесь не лениться и заниматься постобработкой фотографии в редакторе, предварительно сохранив кадр в сыром формате RAW. Помните, кадр хорош тогда, когда его умело передал фотограф. Потому способности фотоаппаратов, хотя и важны, остаются на втором месте после видения и способности реализовать задумку фотографом. А такое качество приходит исключительно с опытом.

Что такое динамический диапазон, и какие бывают его разновидности

Односигнальный динамический диапазон по блокированию, Динамический
диапазон по перекрёстным помехам, Динамический диапазон по интермоду-
ляции.

В широком понимании радиотехнической мысли динамический диапазон — это характеристика устройства, выполняющего функцию передачи или преобразованию сигнала, представляющая собой отношение максимального и минимального возможных величин входного сигнала и выраженное в децибельной (логарифмической) единице измерения.

Другими словами — динамический диапазон определяет способность устройства: с одной стороны видеть на выходе обработанный слабый (наименьший) входной сигнал, с другой — обрабатывать сигналы большого уровня с заданным уровнем искажений на выходе.

Нижнюю границу входного сигнала, как правило, определяет чувствительность устройства (не путать с чувствительностью усилителя, при которой достигается номинальная мощность), которая указывает на способность объекта реагировать определённым образом на определённое малое воздействие.
Верхнюю — параметр, называемый точкой децибельной компрессии и равный такой мощности сигнала на входе, при котором отличие изменения уровня мощности на выходе от асимптотической линейной характеристики составляет величину — 1 dB.

А поскольку в последнюю фразу без пол-литра не въедешь, приведу рисунок.

Рис.1

На Рис.1 красным цветом изображена идеальная линейная (асимптотическая) кривая.
Синим — реальная выходная характеристика нашего устройства.
В качестве входных и выходных значений — величины мощностей, соответственно, на входе и выходе.

Пока обе линии располагаются в непосредственной близости друг от друга — всё хорошо, устройство находится в линейном режиме. Как только расхождение выходного параметра от идеальной кривой достигает 1дБ (в нашем случае соответствует уровню входного сигнала -10дБ) — всё расчёт окончен, точка децибельной компрессии найдена.

Формула, описывающая односигнальный динамический диапазон устройства, предельно проста:
D = P_1дб — P_{вх мин} (дб), где P_1дб — точка децибельной компрессии, P_{вх мин} — чувствительность устройства, выраженная в дБ.
Т.е. в случае, приведённом на графике: D = -10_дб — (-120_дб) — 110дБ .

Наблюдая показания приборов при нахождении точки компрессии, не всегда удобно оперировать понятиями мощности сигнала, да переводить всё это хозяйство в децибелы — тоже. Поэтому для упрощения задачи напишу — отклонение уровня на 1дБ — это в 1,12 раз по напряжению и в 1,26 раз по мощности.

Ну и, конечно же, формула для определения динамического диапазона при подстановке абсолютных значений сигналов:

И ещё раз:
U_{вх макс} и Р_{вх макс} — это входные значения, соответствующие точке децибельной компрессии,
U_{вх мин} и Р_{вх мин} — это напряжение, либо мощность, соответствующие чувствительности агрегата.

А чувствительность агрегата в нашем случае огранена: либо его коэффициентом усиления, либо собственными внутренними шумами, либо и тем и другим одновременно. В целом она равна мощности самого слабого входного сигнала, который, будучи преобразован нашим устройством, выдаёт на-гора выходной уровень, считающийся достаточным для его нормальной фиксации.
А конкретно — этот выходной уровень мы должны распознать на каком-то фиксирующем приборе, либо услышать-увидеть-почувствовать и при этом, он должен быть выше значения собственных шумов нашего девайса.
Насколько выше? Обычно это указывается вместе с показателем чувствительности.
К примеру, чувствительность 10мкВ при соотношении сигнал/шум = 12дБ, означает, что подав на вход сигнал амплитудой 10мкВ, мы на выходе увидим некий отклик, который на 12дБ (т.е. в 3,98 раз по напряжению и 15,85 раз по мощности) будет превышать уровень собственных внутренних шумов нашего устройства.

Описанная динамическая характеристика устройства в первую очередь характеризует его односигнальный динамический диапазон, который определяется методом подачи на вход изучаемого объекта сигнала одной частоты. Иногда этот параметр в радиотехнике именуется динамическим диапазоном по блокированию и обозначается DD1 или DB1.

Теперь давайте подумаем, что случится, если вдруг подать на вход нашего линейного устройства сигналы двух различных частот. А что случится?
При определённом уровне их амплитуд наше устройство выйдет из линейного режима и сигналы начнут взаимодействовать между собой таким образом, что на выходе вместо двух исходных частот появится сложный сигнал с комбинациями частот (гармоник), зависящих от частоты «родительских» сигналов f1 и f2 согласно следующей формуле:
f_гарм = n × f1 ± m × f2, где n и m — это целочисленные коэффициенты, принимающие значения от единицы до неких величин, определяемых частотными свойствами применяемых элементов.

В высокочастотной электронике это свойство может быть использовано для преобразования частот в устройствах, называемых «смеситель».

Однако в линейных схемах — это явление крайне нежелательно, потому как является основной причиной возникновения интермодуляционных искажений.
Эти искажения, в свою очередь, приводят: к появлению побочных каналов приёма/передачи в ВЧ радиотехнике, а в усилителях НЧ — появлению посторонних призвуков. Причём, данный тип искажений гораздо неприятнее на слух, чем банальное амплитудное ограничение сигнала. Источник их появления гораздо сложнее обнаружить, а соответственно и устранить.

Ну вот мы медленно, но верно подобрались к определению понятия «динамический диапазон по интермодуляции«.

Динамическим диапазоном по интермодуляции (Dynamic Range) называется характеристика устройства, показывающая его способность противостоять продуктам нелинейного взаимодействия двух или более сигналов. Обозначается — DD3 или DB3.
Другими словами — параметр DB3 характеризует допустимую величину двух сигналов с различными частотами f1 и f2, действующих одновременно на входе устройства, при которой ещё не возникает продукт их взаимодействия (вернее, когда уровень этого продукта не превышает заданного параметра — RFrx). И определяется как отношение, выраженное в дБ, общей мощности этих сигналов к чувствительности устройства.

Измерение динамического диапазона по интермодуляции (DB3) — дело не такое простое, как измерение односигнального DB1. Процесс это сводится к определению суммарной величины, так называемых, продуктов 3-го порядка с частотами 2f1 ± f2, 2f2 ± f1. Приведу формулу для вычисления динамического диапазона:
DB3 = 2/3 × IP3 — P_{вх мин} (дб), где IP3 — точка пересечения линии уровня интермодуляционных составляющих 3-го порядка на графике передаточной характеристики, а P_{вх мин} — чувствительность, выраженная в дБ и определяемая собственными шумами устройства.

Рис.2

На Рис.2 красным и синим цветами изображены знакомые нам по Рис.1 динамические характеристики: идеальная и характеристика основных частот входных сигналов (f1 и f2).
Чёрным цветом показана кривая интермодуляционных продуктов 3-го порядка с частотами 2f1 ± f2 и 2f2 ± f1. Данная кривая возрастает в 3 раза быстрее (в децибельном выражении) чем идеальная, поэтому теоретически в некоторой точке эти линии должны сойтись, обозначая точку пересечения по интермодуляции третьего порядка (IP3).
Будучи теоретической — эта точка никогда не может быть достигнута на практике, поскольку смеситель войдёт в режим компрессии сигнала раньше, чем эта точка будет достигнута.

Нахождение данной точки (IP3) — задача не такое простая, как измерение односигнального DB1. Поэтому для облегчения жизни радиолюбителя вводятся некоторые допущения, основанные, исходя из практического опыта. А именно:
В общем случае обычно отмечается, что связь между точкой компрессии 1 дБ и точкой пересечения 3-го порядка, приведённой к входу, имеет вид: IP3 = P_1дб + (10. ..15)дб.
А учитывая, что односигнальный динамический диапазон DB1 описывается формулой:
DB1 = P_1дб — P_{вх мин} (дб), а DB3 = 2/3 × IP3 — P_{вх мин} (дб), то на основании всех трёх формул можно вывести простую пропорцию: DB3 = 2/3 × (DB1 + (10…15)дб).

Посчитаем. Если односигнальный динамический диапазон по блокированию DB1 равен 110дБ, то:
DB3 ≈ 2/3 × (110дБ + 10дБ) = 80дБ.
Всё — расчёт окончен! Именно на эту величину динамического диапазона по интермодуляции и следует ориентироваться, так как именно она в значительной степени определяет качественные показатели как НЧ, так и ВЧ оборудования!

И напоследок — ещё одна динамическая характеристика, достойная определённого внимания по большей части в радиосвязи — Динамический диапазон по перекрёстным помехам (DD2 или DB2).
Характеристика эта важна в основном для устройств, осуществляющих приём однополосных (SSB) сигналов и определяет степень подавления мощных станций, работающих с АМ модуляцией и расположенных по соседству.
Перекрёстные искажения возникают в УВЧ и преобразователях частоты приёмников при воздействии на эти элементы модулированного мешающего сигнала с частотой, близкой к значению частоты настройки основного канала приёма, например, на частоте соседнего канала.

Процесс измерения этого параметра подобен предыдущему описанию и сводится к определению величины продуктов 2-го порядка с частотами (f1 ± f2) и нахождению точки интермодуляции (IP2) посредством построения такого же графика.
Кривая интермодуляционных продуктов 2-го порядка растёт медленнее, чем 3-го (всего лишь в 2 раза быстрее идеальной передаточной характеристики), а потому и точка пересечения, обозначающая значение IP2, находится дальше от начала координат.

Благодаря «Справочнику радиолюбителя — коротковолновика» под авторством уважаемых С. Бунина и Л. Яйленко, вполне можно довериться компромиссной формуле: DB2 ≈ DB1 — 20 dB, что в нашем случае будет соответствовать 90дБ.

 

Расширяем динамический диапазон при обработке. Самый простой способ

Дата публикации: 24.06.2015

Наверняка вы не раз сталкивались с подобной ситуацией: при съёмке закатного или рассветного сюжета на фото не получается показать во всех деталях и яркое небо, и тёмную землю — либо небо выходит белёсым и невыразительным, либо на земле остаются чёрные пятна.

Как можно исправить такое положение дел?

Эта статья будет полезна фотографам, которые только начали осваивать возможности компьютерной обработки изображений.

NIKON D810 УСТАНОВКИ: ISO 50, F22, 4 с, 18.0 мм экв.

Сразу отметим, что фотографировать нужно в формате RAW, так как он более гибок в обработке и позволяет проводить многие манипуляции со снимком без потерь в качестве или же с минимальными потерями. Помножим плюсы формата RAW на то, что современные камеры Nikon (как младшие модели (например, Nikon D3300), так и старшие (например, Nikon D750)), обладают очень широким динамическим диапазоном и сохраняют информацию и о самых тёмных, и о самых светлых деталях кадра. Нам же остаётся лишь извлечь эту информацию из файла при обработке.

В фотоаппаратах Nikon формат RAW называется NEF.

Выбор формата записи изображения в меню фотокамеры Nikon

Важно учесть, что этот формат позволяет нам сильно осветлить тени при обработке, а вот пересвеченные области спасти зачастую не удаётся. Поэтому особое внимание стоит уделить тому, чтобы на снимках не было пересвеченных областей. Иногда кадр приходится делать даже несколько темнее обычного.

Рассмотрим пример:

NIKON D810 / 18.0-35.0 mm f/3.5-4.5 УСТАНОВКИ: ISO 50, F22, 4 с, 18.0 мм экв.

Да, детали в теневых участках снимка сейчас выглядят слишком тёмными. Зато я сохранил на фото оттенки неба.

Разумеется, не нужно снимать совсем уж тёмные кадры, ведь возможности обработки RAW не безграничны. Самое главное — сохранить на нём детали в светлых участках. Не забывайте: чем больше вы будете осветлять тёмные участки при обработке, тем больше в них будет цифрового шума.

Итак, кадр сделан. Переходим к обработке. Откроем его в программе Capture NX-D. Это «родной» RAW-конвертер для фотоаппаратов Nikon. Он максимально корректно «переваривает» снимки, сделанные на камеры Nikon. Программа бесплатная, скачать её можно на официальном сайте Nikon.

Кому-то интерфейс программы может показаться сложным. Но не пугайтесь, из всех возможностей программы сейчас нам потребуется лишь один пункт меню. А именно — окошко коррекций Tone (Detail). Вот оно:

Чтобы вызвать это окно, нажмите на иконку, обведённую жёлтой рамкой. В синей рамке показаны регулировки, с которыми мы будем работать. Их всего три.

Highlight Protection отвечает за работу со светлыми участками кадра. C её помощью можно «вытянуть» пересвеченные области на фото.

Однако, как уже было упомянуто, в формате RAW гораздо более гибкой коррекции поддаются тёмные участки. За работу с ними отвечает регулировка Shadow Protection.

Регулировка D-Lighting HS представляет собой уникальную технологию расширения динамического диапазона от Nikon. Она тоже действует преимущественно на тёмные участки кадра. С ней-то мы и будем работать.

Передвиньте её ползунок вправо. На фотографии сразу появятся детали, которые раньше были слишком тёмными.

Я остановился на значении в 50 пунктов.

При такой коррекции мне удалось и проявить детали в тёмных участках снимка, и сохранить естественность кадра.

Не забывайте, что для любого снимка важно сохранить «живые» цвета, поэтому нужно не переборщить с обработкой!

NIKON D810 УСТАНОВКИ: ISO 50, F22, 4 с, 18.0 мм экв.

Теперь, когда все коррекции в RAW-файл внесены, его можно конвертировать в формат JPEG, подходящий для быстрого просмотра снимков и загрузки их в Интернет. Для этого в меню File выбираем пункт Convert Files и задаём место для сохранения файла.

Итак, мы всего лишь внесли одну маленькую корректировку в файл. Посмотрим на результат:

Такой же трюк можно провернуть и в других RAW-конвертерах. Например, в популярных Adobe Lightroom и Adobe Camera Raw для осветления теней есть ползунок Shadows, а для затемнения светлых участков — Highlights.

Безусловно, снимок можно обрабатывать и дальше. Не стесняйтесь экспериментировать с другими возможностями и параметрами, ведь корректировки всегда можно отменить, вернув фото в исходное состояние.

Как запечатлеть все тона снимаемой сцены

Динамический диапазон – жизненно важный «òрган» вашей фотографии: или даст путёвку в жизнь или отправит в мусорную корзину. В этом уроке мы объясним, как передать на снимке все тона, присутствующие в сцене, и обсудим способы расширения динамического диапазона.

Если вы когда-нибудь фотографировали при прямом солнечном свете или сюжет, где присутствовали яркие блики и глубокие тени, то наверняка сталкивались с проблемой: фотоаппарат запечатлевает детали либо в бликах, либо в тенях, либо ни там, ни там.

Это одна из самых распространённых трудностей, с которой вы будете сталкиваться. Она не связана с экспозицией. Причина явления заключается в разнице между яркостью бликов и яркостью теней в снимаемой сцене – в её, так называемом, динамическом или тоновом диапазоне. Разница может быть настолько большой, что вы не сможете запечатлеть и блики, и тени, какой бы ни была экспозиция.

Светочувствительный сенсор цифрового фотоаппарата может различать тона из широкого диапазона, но ширина последнего не бесконечна. Как только вы соберётесь сфотографировать сюжет, тоновый диапазон которого, другими словами разница яркостей, шире динамического диапазона сенсора, возникнет проблема, описанная выше.

В этом уроке мы приведём действенные рекомендации. Мы покажем, как распознавать и оценивать проблему, а затем справляться с ней. Начнём с ответов на наиболее насущные вопросы фотографов о динамическом диапазоне. С чем его, вообще, едят?

Всё, что вам нужно знать о динамическом диапазоне

Что такое «динамический диапазон»?

Это способ, которым описываются тона на изображении: от ярчайших бликов до глубочайших теней. Динамический диапазон измеряется в «значениях экспозиции» (EV) или, что то же самое, в «стопах».

Некоторые снимаемые сцены обладают широким тоновым диапазоном. Это означает, что между яркостями самого тёмного участка сцены и самого светлого её участка значительная разница. Она измеряется в EV. Типичный представитель таких сцен – съёмка силуэта на фоне заходящего солнца. Существуют сцены с более узким тоновым диапазоном.

Как вы могли  отметить, следует рассматривать два динамических диапазона: снимаемой сцены и светочувствительного сенсора фотоаппарата.

• Подробнее о динамическом диапазоне светочувствительного сенсора, отличиях RAW и JPEG форматов, вы можете узнать из статьи «Основы фотографии #4.4».

Одинаковы ли динамические диапазоны камеры и сцены?

Сенсор, встроенный в ваш фотоаппарат, за один щелчок затвора может запечатлеть тона только из определённого динамического диапазона. Пока разница между яркостями бликов и теней в снимаемой сцене укладывается в него, на фотографии вы увидите как детали в светах, так и детали в тенях.

Например, если динамический диапазон фотоаппарата равняется 8 EV, а разница яркостей интенсивных бликов и глубоких теней – 6 EV, то вы сохраните на изображении все детали сцены. Соответственно, в противоположном случае фотография будет содержать либо чёрные, «заваленные», пятна-тени, которые в реальности вовсе не чёрные, или белые, «пересвеченные», блики, которые в снимаемой сцене имеют вполне определённый цвет. А в некоторых случаях, картинка будет страдать и от «завала», и от «пересвета».

Автор фотографии – Маркус Хокинс (Marcus Hawkins).

У всех ли камер динамический диапазон одинаковый?

Нет, светочувствительные сенсоры различаются по своим возможностям. Чем выше динамический диапазон фотоаппарата, те больше деталей он способен запечатлеть. Например, динамический диапазон камеры Nikon D610 измеряется в пределах 13 и 14,4 EV при чувствительности ISO равной 100.

Как узнать, что камера справится с тоновым диапазоном снимаемой сцены?

Во времена плёночной фотографии ответу на этот вопрос предшествовал кропотливый труд. Вам нужно было замерить яркость самых светлых участков сцены и яркость самых тёмных её участков. Затем вычислить разницу яркостей. Наконец, проверить, что динамический диапазон плёнки, на которую вы планируете снимать, может охватить найденный тоновый диапазон снимаемой сцены, и узнать, какая экспозиция удовлетворяет этому условию.

В цифровой фотографии вам достаточно изучить гистограмму, высвечивающуюся на экране фотоаппарата. Всё что вам нужно проверить: распределение тонов снимаемой сцены (ширина гистограммы) укладывается в динамический диапазон камеры (ширина таблицы). Если гистограмма «обрезается» краями таблицы, то налицо потеря деталей. Так, «обрезание» правым краем означает потерю деталей в бликах, «обрезание» левым краем – в тенях. После того как гистограмма помогла вам прояснить ситуацию, вам следует правильно подобрать экспозицию, чтобы поместить тоновый диапазон снимаемой сцены в динамический диапазон камеры.

Очень часто, проблема с динамическим диапазоном решается именно таким способом: вы меняете экспозицию и делаете повторный снимок. Однако, бывают ситуации, когда снимаемая сцена обладает широким распределением яркостей, то есть широкой гистограммой. Широкой настолько, что заключить её между краями таблицы не удаётся ни с какой экспозицией.

В пасмурную погоду тоновый диапазон снимаемой сцены достаточно узкий – гистограмма получается узкой. Здесь если возникает проблема, то она решается подбором экспозиции. А в солнечную погоду тоновый диапазон – а вместе с ним и гистограмма – расширяется настолько, что «уместить» её в границы таблицы не получается ни при каких ухищрениях.

Что делать?

Гистограмма показывает распределение тонов во всей сцене, а не лишь тех участков, которые вам интересны! Поэтому вполне нормальным считается «потерять» тени в некоторых малозначимых участках сюжета, особенно, если вы намерены создать чёрно-белое изображение.

Получается, руководствуйтесь гистограммой, а принимайте решение своими глазами. Замерить яркость в определённом участке снимаемой сцены можно с помощью точечного экспозамера – режим измерения экспозиции, который вы можете найти в любой зеркальной цифровой камере. Измерив экспозицию в самом светлом и самом тёмном участках сюжета, вы можете оценить, есть ли хотя бы одна экспозиция, общая для обоих участков.

В качестве альтернативы вы можете фотографировать в формате RAW. Камера запечатлеет до 1 EV тонов больше, чем в съёмке в формате JPEG. Дополнительные детали вы сможете извлечь из RAW-файла на этапе обработки, в RAW-интерпретаторе. Кстати, вы не увидите во время съёмки преимуществ RAW-формата: гистограмма отображает возможности изображения, которое появляется после спуска затвора на экране фотоаппарата. А это изображение – JPEG-снимок, даже если вы фотографируете в RAW.

В съёмке в формате RAW вам как и прежде следует аккуратно выбирать экспозицию. Однако, вы располагаете здесь небольшой свободой, что может помочь вам запечатлеть очень глубокие тени или очень яркие блики.

Иногда даже съёмка в формате RAW не выручает: вы всё равно упускаете детали в светлых и/или тёмных участках сцены. Вот тогда вы можете открыть для себя мир Фотографий с Широким Тоновым Диапазоном (HDR-фотография).

Поможет ли здесь компенсация экспозиции?

Нет. Эта функция влияет на светлоту всего снимка. Вы можете сместить гистограмму влево или вправо, чтобы избежать «обрезания» справа или слева, соответственно. Но динамические диапазоны сенсора и снимаемой сцены не изменятся.

Если тоновый диапазон сцены настолько широк, что сенсор камеры не может его зафиксировать полностью, то определите для себя наиболее важные детали: они в светах или в тенях? Затем выберите соответствующую экспозицию. Обычно, целесообразно экспонировать по бликам, другими словами, уменьшать экспозицию. Это позволяет сохранить детали в светах.

Ещё, некоторые настройки камеры могут расширить имеющийся динамический диапазон сенсора.

Какие это настройки?

Динамический диапазон светочувствительного сенсора тем шире, чем меньше чувствительность ISO. Также, снимать следует в RAW-формате. RAW-изображение сохраняет гораздо больше информации, чем JPEG-изображение. Другими словами, тоновая плотность RAW-снимка выше, а значит вам проще восстановить детали в случае недоэкспозиции или переэкспозиции.

В большинстве фотоаппаратов вы найдёте функцию, которая автоматически восстанавливает детали в тенях или бликах. В Nikon-камерах она называется «Active D-Lighting», в Canon-камерах – «Auto Lighting Optimizer». Функция высветляет тени, тем самым имитирует расширение динамического диапазона светочувствительного сенсора. Обратите внимание, она работает в съёмке в формате JPEG.

Наконец, вы можете создать HDR-фотографию. Само название говорит о сути: изображение с широким тоновым диапазоном. Если не удаётся охватить тоновый диапазон снимаемой сцены одной экспозицией, то почему бы не сделать несколько снимков с разными экспозициями и не соединить их. Объединить исходные снимки вы можете с помощью специальной программы, например, Photomatix. Таким способом вы представите на итоговом изображении гораздо больше тонов снимаемой сцены, чем с помощью традиционного подхода: фотографировании с одной экспозицией. Кстати, в некоторые фотоаппараты встраивается функция HDR-съёмки, что может существенно упростить вам жизнь.

С HDR-изображениями легко переусердствовать: итоговая картинка может получиться совершенно нереалистичной. Если HDR-фотография не ваша стихия, то обратите внимание на другие способы сжатия динамического диапазона. Особенно, если вы планируете фотографировать высококонтрастную сцену.

О каких способах идёт речь?

Вы можете воспользоваться вспышками и отражателями, чтобы подсветить глубокие тени, детали которых в противном случае на снимке не отразятся. Фотографы, снимающие пейзажи, делают обратное: используют градиентные фильтры нейтральной плотности, чтобы затемнить блики и, тем самым, сохранить в них детали.

Градиентные фильтры нейтральной плотности с одного конца прозрачные, а с другого конца затемнённые. Если расположить затемнённую часть фильтра напротив яркого неба, а прозрачную часть – напротив ландшафта, то изображение неба получится затемнённым и, соответственно, его яркость приблизится к яркости ландшафта.

В настоящее время, пейзажисты используют другой приём – съёмка в две экспозиции. Экспозиция для одного снимка определяется по ландшафту, а экспозиция второго снимка – по небу. Затем два изображения «складываются» в Photoshop или в другом графическом редакторе.

Проблемные сцены

Сюжеты с контровым освещением

Если источник света располагается позади снимаемого объекта, то сторона объекта, обращённая к камере, находится в тени. Разница в яркостях фона и объекта получается очень большой.

Пейзажи с ярким небом

Переэкспонированное небо портит фотографии. В облачную погоду яркость неба может на несколько EV превышать яркость остальных частей снимаемой сцены. Здесь помогает градиентный фильтр: «понижая» яркость неба, он сужает тоновый диапазон сцены.

Интерьеры/экстерьеры

Разница освещённостей внутри и снаружи помещения в дневное время, а также разница освещённостей различных участков здания, залитого солнечным светом, несомненно превышает динамический диапазон сенсора – одной экспозиции будет недостаточно. Чтобы проявить детали за окнами, в которые врывается солнечный свет, вам придётся создавать несколько снимков с различными экспозициями.

Сюжеты с источниками света в кадре

Если в кадр попадает источник света, то область свечения будет слишком яркой в сравнении с остальными частями снимаемой сцены. Просто примите тот факт, что изображение источника получится переэкспонированным.

Решения

Пейзажи

Обычно гистограммы для подобных сюжетов содержат два высоких пика: один обозначает яркое небо, другой – тёмную землю. Скорее всего, вы не сможете охватить одновременно и блики, и тени одной экспозицией без дополнительных приспособлений.

Градиентный фильтр нейтральной плотности поможет в этой ситуации.

Портреты в контровом освещении

Когда вы фотографируете лицо человека на фоне светлого неба и выбираете экспозицию по модели, фон изображается слишком светлым. Если вы настраиваете экспозицию по небу, то получаете силуэт модели.

Воспользуйтесь вспышкой или отражателем. Установите экспозицию по светлому фону и подсветите лицо модели со стороны камеры.

Солнце и тень

В солнечный день вы можете столкнуться с высококонтрастной сценой: разница между участками, залитыми светом, и затенёнными областями может быть настолько большой, что сенсор едва ли «втиснет» её в JPEG-фотографию.

Снимайте в формате RAW. На этапе обработки вы сможете восстановить детали в «пересвеченных» или «заваленных» областях снимка.

Рассветы и закаты

На закате небо, чаще всего, значительно ярче ландшафта.

Предыдущий трюк может быть полезным, но его, иногда, недостаточно. Решение – съёмка в две экспозиции или HDR-фотография. Другими словами, создайте серию снимков с различной экспозицией, чтобы на этапе обработки «собрать» из них одно изображение, где все детали сохраняются.

Измеряем тоновый диапазон снимаемой сцены

Чтобы выбрать оптимальную экспозицию, вам нужно изучить распределение яркостей в сюжете.

Перейдите в ручной режим

В ручном режиме съёмки («M») вы можете самостоятельно оценивать экспозицию по показанию экспонометра.

Укажите значение диафрагмы

Когда вы выберите диафрагменное число, вам останется лишь подобрать соответствующую выдержку. Установите значение диафрагмы равным 8.

Включите точечный режим экспозамера

В точечном режиме (Spot exposure measuring mode) экспонометр фотоаппарата замеряет освещённость в маленьком участке изображения вокруг активной точки фокусировки. Кстати, включите дополнительно ручной выбор точек фокусировки (Single-point AF Mode).

Определите экспозицию в наиболее ярком участке сцены

Расположите активную точку фокусировки на самом ярком, на ваш взгляд, участке сюжета (только не на солнце). Затем подберите выдержку так, чтобы датчик экспонометра указывал на 0. У нас получилась 1/500 секунды.

Определите экспозицию в наиболее тёмном участке сцены

Теперь проделайте действия из предыдущего шага для самой тёмной области сюжета. У нас выдержка получилась равной 1/30 секунды.

Посчитайте разницу

Если разница между выдержками, определёнными Вами на предыдущих шагах, не превышает 4 EV, как в нашем случае, то установите среднюю выдержку. В нашем примере она равняется 1/125 секунды.

• Если вы хотите узнать, почему между 1/30 и 1/500 секунды 4 EV, почему выдержка равная 1/125 секунды является средней между 1/30 и 1/500 секунды, то обратитесь к статье Основы фотографии #1.

Настраиваем фотоаппарат на широкий динамический диапазон

Совет #1. Снимайте в формате RAW

RAW-изображение хранит 12 или 14 бит информации вместо 8 бит у JPEG-снимка. Это даёт RAW-картинке преимущество на этапе обработки: вы можете проявить детали в очень тёмных и очень светлых областях фотографии и, тем самым, отобразить на снимке более широкий тоновый диапазон.

Совет #2. Пользуйтесь функцией расширения динамического диапазона

Производители фотоаппаратов включают в свои камеры оригинальные функции, восстанавливающие на существующем изображении детали в «пересвеченных» и «заваленных» областях снимка. Например, у Canon эта функция называется «Auto Lighting Optimizer». Часто, используя подобные функции, вы можете выбирать силу эффекта, чтобы отрегулировать «натуральность» результата.

Совет #3. Проверяйте гистограмму аккуратно

Когда вы просматриваете гистограмму, держите в голове мысль: «В RAW-файле содержится другая информация». Дело в том что гистограмма отражает ситуацию с JPEG-изображением, к которому во время съёмки уже были применены настройки фотоаппарата.

Снимаем HDR-изображения с помощью функции, встроенной в камеру

Шаг #1. Выберите ширину динамического диапазона

В режиме HDR-съёмки фотоаппарат создаёт быструю последовательность из двух-трёх кадров, затем накладывает их друг на друга, и результат наложения сохраняет в формате JPEG. Вы можете как самостоятельно определять разницу в экспозициях кадров, таки и доверять выбор камере. Чем больше число (разница), тем шире динамический диапазон итогового изображения

Шаг #2. Установите режим HDR-обработки

На HDR-изображении в глубоких тенях и ярких бликах проявляются детали: тени осветляются, блики затемняются. В итоге, итоговая картинка может выглядеть плоской. Вы можете повлиять на результат, выбрав походящий режим HDR-обработки. Тем самым, вы сможете насытить цвета, повысить контрастность и сделать линии более чёткими, другими словами, придать изображению живописный и графичный вид.

Шаг #3. Сохраните оригинальные снимки

Несмотря на то что «на выходе» получается HDR-изображение в формате JPEG, вы можете сохранить исходные снимки на карте памяти. А затем, используя специальное программное обеспечение, «объединить» фотографии в HDR-изображение так, как Вы хотите. В Canon 5D Mark III вы можете сохранить исходные снимки даже в формате RAW. Это позволит вам достичь наибольших качества и аккуратности «объединения».

Автор статьи: Marcus Hawkins

Динамический диапазон — Dynamic range

Динамический диапазон (сокращенно DR , DNR или DYR ) — это соотношение между наибольшим и наименьшим значениями, которое может принимать определенная величина. Он часто используется в контексте сигналов , таких как звук и свет . Он измеряется либо как отношение, либо как логарифмическое значение по основанию 10 ( децибелы ) или основание 2 (удвоения, биты или остановки ) разницы между наименьшим и наибольшим значениями сигнала.

Электронно воспроизводимые аудио и видео часто обрабатываются, чтобы подогнать исходный материал с широким динамическим диапазоном к более узкому записанному динамическому диапазону, который легче сохранять и воспроизводить; эта обработка называется сжатием динамического диапазона .

Человеческое восприятие

Фактор (мощность)	Децибелы	Остановки
1	0	0
2	3,01	1
3,16	5	1,66
4	6.02	2
5	6,99	2. 32
8	9,03	3
10	10	3,32
16	12.0	4
20	13,0	4,32
31,6	15	4,98
32	15,1	5
50	17.0	5,64
100	20	6,64
1 000	30	9,97
1 024	30,1	10
10 000	40	13,3
100 000	50	16,6
1 000 000	60	19,9
1 048 576	60,2	20
100 000 000	80	26,6
1 073 741 824	90,3	30
10 000 000 000	100	33,2

Чувства зрения и слуха человека имеют относительно высокий динамический диапазон. Однако человек не может выполнять эти подвиги восприятия на обоих крайних уровнях шкалы одновременно. Человеческому глазу требуется время, чтобы приспособиться к разным уровням освещенности, а его динамический диапазон в данной сцене на самом деле весьма ограничен из-за оптических бликов . Мгновенный динамический диапазон человеческого восприятия звука аналогичным образом маскируется, так что, например, шепот нельзя услышать в громкой обстановке.

Человек способен слышать (и с пользой различать) все, что угодно, от тихого бормотания в звукоизолированной комнате до самого громкого концерта тяжелого металла. Такая разница может превышать 100  дБ, что составляет 100 000 раз по амплитуде и 10 000 000 000 по мощности. Динамический диапазон человеческого слуха составляет примерно 140 дБ, варьирующийся в зависимости от частоты, от порога слышимости (около -9 дБ SPL на 3 кГц) до порога боли (от 120–140 дБ SPL). Однако этот широкий динамический диапазон нельзя ощутить сразу; тензор барабанные , стременная мышца , и внешние клетки волос все действуют как механические компрессоры динамического диапазона , чтобы отрегулировать чувствительность уха к различным уровням окружающей среды.

Человек может видеть объекты при свете звезд или ярком солнечном свете, даже если в безлунную ночь объекты получают 1/1 000 000 000 освещения, которое они получили бы в яркий солнечный день; динамический диапазон 90 дБ.

На практике людям сложно достичь полного динамического опыта с помощью электронного оборудования. Например, ЖКД хорошего качества имеет динамический диапазон, ограниченный примерно 1000: 1, а некоторые из новейших датчиков изображения CMOS теперь измеряют динамический диапазон примерно 23000: 1. Коэффициент отражения бумаги может обеспечивать динамический диапазон около 100: 1. Профессиональная видеокамера , такие как Sony Digital Betacam обеспечивает динамический диапазон более 90 дБ в звуковой записи.

Аудио

Аудиоинженеры используют динамический диапазон для описания отношения амплитуды самого громкого неискаженного сигнала к минимальному уровню шума , скажем, микрофона или динамика . Таким образом, динамический диапазон — это отношение сигнал / шум (SNR) для случая, когда сигнал является самым громким из возможных для системы. {Q}} {1}} \ right) = \ left (6.02 \ cdot Q \ справа) \ \ mathrm {дБ} \, \!}

Однако полезный динамический диапазон может быть больше, поскольку записывающее устройство с должным сглаживанием может записывать сигналы значительно ниже минимального уровня шума.

16-битный компакт-диск имеет теоретический несимметричный динамический диапазон около 96 дБ; однако воспринимаемый динамический диапазон 16-битного звука может составлять 120 дБ или более с шумовым дизерингом , используя преимущество частотной характеристики человеческого уха .

Цифровой звук с 20-битным квантованием без искажений теоретически может иметь динамический диапазон 120 дБ. 24-битный цифровой звук обеспечивает динамический диапазон 144 дБ. Большинство рабочих станций с цифровым звуком обрабатывают звук с 32-битным представлением с плавающей запятой, что обеспечивает еще больший динамический диапазон, и поэтому потеря динамического диапазона больше не является проблемой с точки зрения цифровой обработки звука . Ограничения динамического диапазона обычно возникают из-за неправильной настройки усиления , техники записи, включая окружающий шум, и преднамеренного применения сжатия динамического диапазона .

Динамический диапазон аналогового звука — это разница между тепловым шумом низкого уровня в электронных схемах и насыщением сигнала высокого уровня, что приводит к увеличению искажений и, если их увеличить, клиппированию . Множественные шумовые процессы определяют минимальный уровень шума системы. Шум может быть получен из собственного шума микрофона, шума предусилителя, шума проводки и межсоединений, шума среды и т. Д.

Ранние фонографические диски со скоростью вращения 78 об / мин имели динамический диапазон до 40 дБ, который вскоре уменьшился до 30 дБ и хуже из-за износа от многократного воспроизведения. Виниловые пластинки фонографа с микроканавками обычно дают звук 55-65 дБ, хотя первый люфт внешних колец с более высокой точностью может обеспечить динамический диапазон 70 дБ.

Сообщалось, что в 1941 году немецкая магнитная лента имела динамический диапазон 60 дБ, хотя современные специалисты по восстановлению таких лент отмечают наблюдаемый динамический диапазон 45-50 дБ. Магнитофоны Ampex в 1950-х годах достигли 60 дБ при практическом использовании. В 1960-х годах усовершенствования в процессах создания лент привели к увеличению диапазона на 7 дБ, и Рэй Долби разработал систему шумоподавления Dolby A-Type, которая увеличила динамику низких и средних частот. диапазон на магнитной ленте на 10 дБ и высокочастотный на 15 дБ, используя компандирование (сжатие и расширение) четырех полос частот. Пик профессиональных аналоговых магнитных лент для записи достигал динамического диапазона 90 дБ в средних частотах при 3% искажении, или около 80 дБ в практических широкополосных приложениях. Система шумоподавления Dolby SR дала дополнительный увеличенный диапазон на 20 дБ, что привело к 110 дБ в средних частотах при 3% искажениях.

Характеристики компактной кассеты колеблются от 50 до 56 дБ в зависимости от состава ленты, с лентами типа IV, обеспечивающими наибольший динамический диапазон, и такими системами, как XDR , dbx и система шумоподавления Dolby, которые увеличивают его еще больше. Специализированное смещение и усовершенствования записывающей головки от Накамичи и Тандберга в сочетании с шумоподавлением Dolby C дали динамический диапазон для кассеты 72 дБ.

Микрофон динамический способен выдерживать высокую интенсивность звука и может иметь динамический диапазон до 140 дБ. Конденсаторные микрофоны также прочны, но их динамический диапазон может быть ограничен из-за перегрузки связанных с ними электронных схем. Практические соображения относительно приемлемых уровней искажений в микрофонах в сочетании с типичной практикой в ​​студии звукозаписи приводят к полезному динамическому диапазону 125 дБ.

В 1981 году исследователи из Ampex определили, что для субъективного бесшумного воспроизведения музыки в тихой обстановке необходим динамический диапазон 118 дБ для цифрового аудиопотока с дизерингом.

С начала 1990-х годов несколько органов власти, включая Общество звукорежиссеров, рекомендовали проводить измерения динамического диапазона при наличии аудиосигнала, который затем фильтруется при измерении минимального уровня шума, используемого для определения динамического диапазона. Это позволяет избежать сомнительных измерений, основанных на использовании пустых носителей или схем подавления.

видео

При просмотре фильма или игры дисплей может отображать как темные ночные сцены, так и яркие сцены на открытом воздухе, освещенные солнцем, но на самом деле уровень света, исходящего от дисплея, во многом одинаков для обоих типов сцен (возможно, различается в несколько раз. из 10). Зная, что дисплей не имеет большого динамического диапазона, производители не пытаются сделать ночные сцены более тусклыми, чем дневные, а вместо этого используют другие реплики, чтобы предложить ночь или день. Ночная сцена обычно содержит более тусклые цвета и часто освещается синим светом, который отражает то, как чувствительные стержневые клетки человеческого глаза видят цвета при низких уровнях освещенности.

Электроника

В электронике динамический диапазон используется в следующих контекстах:

• Задает отношение максимального уровня параметра , такого как мощность , ток , напряжение или частота , к минимальному обнаруживаемому значению этого параметра. (См. Измерения аудиосистемы .)
• В системе передачи — отношение уровня перегрузки (максимальная мощность сигнала, которую система может выдержать без искажения сигнала) к уровню шума системы.
• В цифровых системах или устройствах — отношение максимального и минимального уровней сигнала, необходимое для поддержания заданного коэффициента битовых ошибок .
• Оптимизация разрядности тракта цифровых данных (в соответствии с динамическими диапазонами сигнала) может уменьшить площадь, стоимость и потребляемую мощность цифровых схем и систем при одновременном улучшении их производительности. Оптимальная разрядность для тракта цифровых данных — это наименьшая разрядность, которая может удовлетворить требуемое отношение сигнал / шум, а также избежать переполнения.

В приложениях для аудио и электроники это отношение часто бывает достаточно большим, чтобы преобразовать его в логарифм и указать в децибелах .

Метрология

В метрологии , например, когда выполняется в поддержку научных, инженерных или производственных целей, динамический диапазон относится к диапазону значений, которые могут быть измерены датчиком или метрологическим прибором. Часто этот динамический диапазон измерения ограничивается на одном конце диапазона насыщением сенсорного датчика сигнала или физическими ограничениями, которые существуют на движение или другую способность реагирования механического индикатора. Другой конец динамического диапазона измерения часто ограничен одним или несколькими источниками случайного шума или неопределенности в уровнях сигнала, которые могут быть описаны как определяющие чувствительность датчика или метрологического устройства. Когда цифровые датчики или преобразователи сигналов датчиков являются компонентом датчика или метрологического устройства, динамический диапазон измерения также будет связан с количеством двоичных цифр (битов), используемых в цифровом числовом представлении, в котором измеренное значение линейно связано с цифровой номер. Например, 12-битный цифровой датчик или преобразователь может обеспечить динамический диапазон, в котором отношение максимального измеренного значения к минимальному измеренному значению составляет до 2 ¹² = 4096.

Метрологические системы и устройства могут использовать несколько основных методов для увеличения своего основного динамического диапазона. Эти методы включают в себя усреднение и другие формы фильтрации, корректировку характеристик приемников, повторение измерений, нелинейные преобразования для предотвращения насыщения и т. Д. В более продвинутых формах метрологии, таких как многоволновая цифровая голография , измерения интерферометрии, выполненные в различных масштабах (на разных длинах волн) можно комбинировать, чтобы сохранить то же самое низкое разрешение, одновременно расширяя верхний предел динамического диапазона измерения на порядки.

Музыка

В музыке динамический диапазон описывает разницу между самой тихой и самой громкой громкостью инструмента , партии или музыкального произведения. В современной записи этот диапазон часто ограничивается сжатием динамического диапазона , которое позволяет увеличить громкость, но может сделать звук записи менее захватывающим или живым.

Термин динамический диапазон может сбивать с толку в музыке, потому что он имеет два противоречивых определения, особенно в понимании феномена войны за громкость . Динамический диапазон может относиться к микродинамике , связанной с пик-фактором , тогда как Европейский вещательный союз в EBU3342 Loudness Range определяет динамический диапазон как разницу между самой тихой и самой громкой громкостью, что является вопросом макродинамики.

Динамический диапазон музыки, обычно воспринимаемой в концертном зале, не превышает 80 дБ, а человеческая речь обычно воспринимается в диапазоне около 40 дБ.

Фотография

Сцена, требующая высокого динамического диапазона, снятая цифровой камерой Nikon D7000 , обеспечивающей динамический диапазон 13,9 ступени на DxOMark . Неотредактированный вариант цифровой фотографии находится слева, в то время как тень были толкнули сильно в Photoshop для получения конечного изображения справа. Чем лучше динамический диапазон камеры, тем больше можно увеличить экспозицию без значительного увеличения шума .

Фотографы используют динамический диапазон для описания диапазона яркости снимаемой сцены или пределов диапазона яркости, который может зафиксировать данная цифровая камера или пленка , или диапазона непрозрачности проявленных пленочных изображений, или диапазона отражательной способности изображений на фотобумаге.

Динамический диапазон цифровой фотографии сравним с возможностями фотопленки, и оба сопоставимы с возможностями человеческого глаза.

Существуют фотографические техники, поддерживающие еще больший динамический диапазон.

• Градуированные фильтры нейтральной плотности используются для уменьшения динамического диапазона яркости сцены, который может быть зафиксирован на фотопленке (или на датчике изображения цифровой камеры ): фильтр располагается перед объективом во время экспозиции; верхняя половина темная, а нижняя — прозрачная. Темная область помещается над областью высокой интенсивности сцены, такой как небо. В результате получается более ровная экспозиция в фокальной плоскости с повышенной детализацией в тенях и областях с низким освещением. Хотя это не увеличивает фиксированный динамический диапазон, доступный на пленке или датчике, на практике он расширяет полезный динамический диапазон.
• Изображение с высоким динамическим диапазоном преодолевает ограниченный динамический диапазон датчика, выборочно комбинируя несколько экспозиций одной и той же сцены, чтобы сохранить детали в светлых и темных областях. Отображение тонов по-разному отображает изображение в тени и светлых участках, чтобы лучше распределить диапазон освещения по изображению. Тот же подход использовался в химической фотографии для захвата чрезвычайно широкого динамического диапазона: например, для записи испытаний ядерного оружия использовалась трехслойная пленка с каждым нижележащим слоем 1/100 чувствительности следующего более высокого. .

Форматы файлов изображений потребительского уровня иногда ограничивают динамический диапазон. Самое серьезное ограничение динамического диапазона в фотографии может включать не кодирование, а воспроизведение, скажем, бумажной копии или экрана компьютера. В этом случае не только локальное отображение тона , но также регулировка динамического диапазона может быть эффективным в выявлении подробно на протяжении светлых и темных областей: Принцип те же, что и осветление и затемнения ( с использованием различных длин экспозиций в различных областях при принятии фотографического печать) в химической фотолаборатории. Принцип также аналогичен усилению или автоматическому контролю уровня при работе со звуком, который служит для сохранения слышимости сигнала в шумной среде прослушивания и для предотвращения пиковых уровней, которые перегружают воспроизводящее оборудование или которые являются неестественно или неприятно громкими.

Если датчик камеры неспособен записать полный динамический диапазон сцены, в постобработке могут использоваться методы расширенного динамического диапазона (HDR), которые обычно включают объединение нескольких экспозиций с использованием программного обеспечения.

Динамические диапазоны обычных устройств

Устройство	Остановки	Контрастность
Глянцевая фотобумага	7 (7 — 7 2/3)	128: 1
ЖК-дисплей	9,5 (8 — 10,8)	700: 1 (250: 1 — 1750: 1)
Негативная пленка ( Kodak VISION3 )	13	8000: 1
Человеческий глаз	10–14	1000: 1 — 16000: 1
Цифровая зеркальная камера высокого класса ( Nikon D850 )	14,8	28500: 1
Цифровая кинокамера ( Red Weapon 8k )	16,5+	92000: 1

Смотрите также

Примечания

Ссылки

Внешний список

Визуализация с высоким динамическим диапазоном — High-dynamic-range imaging

Тональное изображение с высоким динамическим диапазоном (HDR) церкви Св. Кентигерна в Блэкпуле , Ланкашир, Англия

Визуализация с расширенным динамическим диапазоном ( HDRI ) — это метод, используемый в фотографических изображениях и пленках, а также в компьютерных изображениях с трассировкой лучей для воспроизведения большего диапазона яркости, чем это возможно с помощью стандартных цифровых изображений или фотографических методов. Стандартные методы позволяют различать только в определенном диапазоне яркости. За пределами этого диапазона никаких функций не видно, потому что в более ярких областях все выглядит чисто белым, а в более темных — чисто черным. Отношение между максимумом и минимумом тонального значения в изображении называется динамическим диапазоном . HDRI полезен для записи многих сцен реального мира, содержащих очень яркие, прямые солнечные лучи или очень темные или очень слабые туманности . Изображения с расширенным динамическим диапазоном (HDR) часто создаются путем захвата и последующего объединения нескольких различных экспозиций одного и того же объекта с более узким диапазоном .

Два основных типа изображений HDR — это компьютерная визуализация и изображения, полученные в результате объединения нескольких фотографий с низким динамическим диапазоном (LDR) или стандартным динамическим диапазоном (SDR). Изображения HDR также могут быть получены с помощью специальных датчиков изображения , таких как датчик двоичного изображения с избыточной дискретизацией . Из-за ограничений печати и контрастности дисплея расширенный диапазон яркости входных HDR-изображений должен быть сжат, чтобы сделать их видимыми. Метод рендеринга HDR-изображения на стандартный монитор или печатающее устройство называется тональным отображением . Этот метод снижает общую контрастность HDR-изображения для облегчения отображения на устройствах или распечаток с более низким динамическим диапазоном, и может применяться для создания изображений с сохраненным локальным контрастом (или увеличенным для художественного эффекта).

«HDR» может относиться к общему процессу, к процессу формирования изображения HDR или к формированию изображения HDR, представленному на дисплее с низким динамическим диапазоном, таком как экран или стандартное изображение .jpg.

Эмуляция системы зрения человека

Одна из целей HDR — предоставить диапазон яркости, подобный тому, который ощущается через зрительную систему человека . Человеческий глаз, через нелинейный ответ, адаптации из радужной оболочки глаза , а также другими методами, адаптируя постоянно в широком диапазоне яркости , присутствующих в окружающей среде. Мозг непрерывно интерпретирует эту информацию, чтобы зритель мог видеть в широком диапазоне условий освещения.

Стандартные фотографические методы и методы обработки изображений позволяют различать только в пределах определенного диапазона яркости. За пределами этого диапазона никаких функций не видно, потому что нет различий в светлых областях, поскольку все выглядит чисто белым, и нет дифференциации в более темных областях, поскольку все выглядит чисто черным. Камеры без HDR делают фотографии с ограниченным диапазоном экспозиции, называемым низким динамическим диапазоном (LDR), что приводит к потере деталей в светлых участках или тенях .

Фотография

Динамические диапазоны обычных устройств

Устройство	Остановки	Контрастность
Однократная экспозиция
Человеческий глаз: близкие предметы	07,5	00150 … 200
Человеческий глаз: угловое разделение 4 °	13	08000 … 10000
Человеческий глаз (статический)	10 … 14	01000 … 15000
Негативная пленка ( Kodak VISION3 )	13	08000
Камера 1 / 1,7 дюйма ( Nikon Coolpix P340)	11,9	03800
1-дюймовая камера ( Canon PowerShot G7 X )	12,7	06600
Цифровая зеркальная камера 4/3 ( Panasonic Lumix DC-GH5 )	13,0	08200
Цифровая зеркальная камера APS ( Nikon D7200 )	14,6	24800
Полнокадровая зеркальная камера ( Nikon D810 )	14,8	28500

В фотографии динамический диапазон измеряется разницей значений экспозиции (EV), известной как стопы . Увеличение на один EV или одну ступень означает удвоение количества света. И наоборот, уменьшение на один EV означает уменьшение вдвое количества света. Следовательно, для выявления деталей в самых темных тенях требуется высокая экспозиция , а для сохранения деталей в очень ярких ситуациях требуется очень низкая экспозиция. Большинство камер не могут обеспечить этот диапазон значений экспозиции за одну экспозицию из-за их низкого динамического диапазона. Фотографии с высоким динамическим диапазоном обычно достигаются путем захвата нескольких изображений со стандартной экспозицией, часто с использованием брекетинга экспозиции , а затем их последующего объединения в одно изображение HDR, обычно в программе обработки фотографий .

Любая камера, которая позволяет ручное управление экспозицией, может делать изображения для работы в HDR, хотя камера с автоматическим брекетингом экспозиции (AEB) подходит гораздо лучше. Изображения с пленочных фотоаппаратов менее подходят, поскольку их часто необходимо сначала оцифровать, чтобы впоследствии их можно было обработать с помощью программных методов HDR.

В большинстве устройств формирования изображений степень воздействия света на активный элемент (будь то пленка или ПЗС-матрица ) можно изменить одним из двух способов: либо увеличивая / уменьшая размер апертуры, либо увеличивая / уменьшая время каждую экспозицию. Изменение экспозиции в наборе HDR осуществляется только изменением времени экспозиции, а не размера диафрагмы; это связано с тем, что изменение размера апертуры также влияет на глубину резкости, и поэтому результирующие несколько изображений будут совершенно разными, что не позволит их окончательному объединению в одно изображение HDR.

Важным ограничением для HDR-фотографии является то, что любое перемещение между последовательными изображениями будет препятствовать или мешать успешному объединению их впоследствии. Кроме того, поскольку для получения желаемого диапазона яркости необходимо создать несколько изображений (часто три или пять, а иногда и больше) , такой полный набор изображений требует дополнительного времени. Фотографы HDR разработали методы и техники расчетов, чтобы частично решить эти проблемы, но, по крайней мере, рекомендуется использовать прочный штатив.

Некоторые камеры имеют функцию брекетинга автоэкспозиции (AEB) с гораздо большим динамическим диапазоном, чем другие, от 0,6 на нижнем уровне до 18 EV в лучших профессиональных камерах по состоянию на 2020 год. По мере роста популярности этого метода визуализации несколько камер производители теперь предлагают встроенные функции HDR. Например, цифровая зеркальная камера Pentax K-7 имеет режим HDR, который захватывает изображение HDR и выводит (только) файл JPEG с тональной отображением. Canon PowerShot G12 , Canon PowerShot S95 и Canon PowerShot S100 предлагают аналогичные функции в меньшем формате. Подход Nikon называется «Активный D-Lighting», который применяет компенсацию экспозиции и отображение тона к изображению, исходящему от датчика, с упором на создание реалистичного эффекта. Некоторые смартфоны поддерживают режимы HDR, а на большинстве мобильных платформ есть приложения, обеспечивающие съемку HDR.

Характеристики камеры, такие как гамма-кривые , разрешение сенсора, шум, фотометрическая калибровка и калибровка цвета, влияют на получаемые изображения с высоким динамическим диапазоном.

Цветные пленочные негативы и слайды состоят из нескольких слоев пленки, которые по-разному реагируют на свет. Оригинальная пленка (особенно негативы по сравнению с прозрачными пленками или слайдами) имеет очень высокий динамический диапазон (порядка 8 для негативов и от 4 до 4,5 для слайдов).

Отображение тонов

Отображение тонов уменьшает динамический диапазон или коэффициент контрастности всего изображения, сохраняя при этом локализованный контраст. Хотя это отдельная операция, тональное отображение часто применяется к файлам HDRI одним и тем же программным пакетом.

На платформах ПК, Mac и Linux доступно несколько программных приложений для создания файлов HDR и изображений с отображением тона. Известные названия включают:

Сравнение с традиционными цифровыми изображениями

Информация, хранящаяся в изображениях с высоким динамическим диапазоном, обычно соответствует физическим значениям яркости или сияния, которые можно наблюдать в реальном мире. Это отличается от традиционных цифровых изображений , которые представляют цвета так, как они должны отображаться на мониторе или на бумаге. Поэтому форматы изображений HDR часто называют привязанными к сцене , в отличие от традиционных цифровых изображений, которые относятся к устройствам или выходам . Кроме того, традиционные изображения обычно кодируются для зрительной системы человека (максимизируя визуальную информацию, хранящуюся в фиксированном количестве битов), что обычно называется гамма-кодированием или гамма-коррекцией . Значения, хранящиеся для изображений HDR, часто подвергаются гамма-сжатию ( степенной закон ) или логарифмической кодировке, либо линейным значениям с плавающей запятой , поскольку линейное кодирование с фиксированной запятой становится все более неэффективным в более высоких динамических диапазонах.

В изображениях HDR часто не используются фиксированные диапазоны для каждого цветового канала — кроме традиционных изображений — для представления большего количества цветов в гораздо более широком динамическом диапазоне. Для этой цели они не используют целочисленные значения для представления одноцветных каналов (например, 0-255 в интервале 8 бит на пиксель для красного, зеленого и синего), а вместо этого используют представление с плавающей запятой. Обычно для представления пикселей HDR используются 16-битные ( половинная точность ) или 32-битные числа с плавающей запятой . Однако при использовании соответствующей передаточной функции HDR-пиксели для некоторых приложений могут быть представлены с глубиной цвета, которая имеет всего 10–12 бит для яркости и 8 бит для цветности, без каких-либо видимых артефактов квантования.

История HDR фотографии

Середина 19 века

Идея использования нескольких экспозиций для адекватного воспроизведения слишком экстремального диапазона яркости была впервые предложена еще в 1850-х годах Гюставом Ле Греем для визуализации морских пейзажей, показывающих как небо, так и море. В то время такой рендеринг с использованием стандартных методов был невозможен, поскольку диапазон яркости был слишком большим. Ле Грей использовал один негатив для неба и другой с более длительной выдержкой для моря, и объединил эти два изображения в один позитив.

Середина 20 века

Ручное отображение тонов выполнялось путем осветления и затемнения  — выборочного увеличения или уменьшения экспозиции областей фотографии для лучшего воспроизведения тональности. Это было эффективно, потому что динамический диапазон негатива значительно выше, чем был бы доступен на готовом позитивном бумажном отпечатке, когда он экспонируется через негатив равномерно. Отличный пример может служить фотографии Швейцер на лампах с помощью W. Eugene Smith , из его 1954 фоторепортажа Человека Mercy на Альберт Швейцер и его гуманитарной деятельности во Французской Экваториальной Африке. Изображение заняло пять дней, чтобы воспроизвести тональный диапазон сцены, который варьируется от яркой лампы (относительно сцены) до темной тени.

Ансель Адамс возвысил уклонение и сжигание до уровня искусства. Многие из его знаменитых отпечатков были обработаны в темной комнате с помощью этих двух методов. Адамс написал исчерпывающую книгу о создании гравюр под названием «Печать» , в которой заметно выделяются светоотражение и выгорание в контексте его системы зон .

С появлением цветной фотографии отображение тонов в темной комнате стало невозможным из-за определенного времени, необходимого в процессе проявления цветной пленки. Фотографы обращались к производителям пленки с просьбой разработать новые запасы пленки с улучшенным откликом или продолжали снимать в черно-белом режиме, используя методы тонального отображения.

Характеристики экспозиции / плотности пленки Wyckoff с расширенной экспозицией

Цветная пленка, способная непосредственно записывать изображения с высоким динамическим диапазоном, была разработана Чарльзом Вайкоффом и EG&G «в ходе контракта с Министерством ВВС США ». Эта пленка XR имела три эмульсионных слоя: верхний слой с рейтингом скорости ASA 400, средний слой с промежуточным рейтингом и нижний слой с рейтингом ASA 0,004. Пленка обрабатывалась так же, как и цветные пленки , и каждый слой имел свой цвет. Динамический диапазон этой пленки с расширенным диапазоном был оценен как 1:10 ⁸ . Он использовался для фотографирования ядерных взрывов, для астрономической фотографии, для спектрографических исследований и для получения медицинских изображений. Подробные фотографии ядерных взрывов Вайкоффа появились на обложке журнала Life в середине 1950-х годов.

Конец 20 века

Жорж Корнежоль и лицензиаты его патентов (Brdi, Hymatom) представили принцип видеоизображения HDR в 1986 году, установив матричный ЖК-экран перед датчиком изображения камеры, увеличив динамику датчиков на пять ступеней. Концепция тонального отображения окрестностей была применена к видеокамерам в 1988 году группой из Техниона в Израиле во главе с Оливером Хилсенратом и Иегошуа Ю. Зеэви. Исследователи Техниона подали заявку на патент на эту концепцию в 1991 году и на несколько связанных патентов в 1992 и 1993 годах.

В феврале и апреле 1990 года Жорж Корнежоль представил первую камеру HDR в реальном времени, которая объединяла два изображения, снятые сенсором или одновременно двумя сенсорами камеры. Этот процесс известен как брекетинг для видеопотока.

В 1991 году была представлена ​​первая коммерческая видеокамера, которая выполняла захват нескольких изображений с разной экспозицией в реальном времени и создавала видеоизображение HDR компанией Hymatom, лицензиатом Жоржа Корнежоля.

Также в 1991 году Жорж Корнежоль представил принцип изображения HDR + путем нелинейного накопления изображений для увеличения чувствительности камеры: в условиях низкой освещенности накапливаются несколько последовательных изображений, что увеличивает отношение сигнал / шум.

В 1993 году Технион выпустил еще одну коммерческую медицинскую камеру, производящую видеоизображение в формате HDR.

Современная визуализация HDR использует совершенно другой подход, основанный на создании карты яркости или освещенности с расширенным динамическим диапазоном с использованием только глобальных операций с изображением (по всему изображению), а затем тонального отображения результата. Global HDR был впервые представлен в 1993 году, в результате чего математическая теория разно экспонированных изображений одного и того же объекта была опубликована в 1995 году Стивом Манном и Розалинд Пикард.

28 октября 1998 года Бен Sarao создал один из первых ночных HDR + G (High Dynamic Range + Графический образ) STS-95 на стартовую площадку НАСА «s Космический центр Кеннеди . Он состоял из четырех пленочных изображений космического шаттла в ночное время, которые были скомпонованы в цифровом виде с дополнительными цифровыми графическими элементами. Изображение было впервые выставлено в Большом зале штаб-квартиры НАСА , Вашингтон, округ Колумбия, в 1999 году, а затем опубликовано на форуме Hasselblad .

Появление потребительских цифровых камер породило новый спрос на HDR-изображения, чтобы улучшить световой отклик датчиков цифровых камер, которые имели гораздо меньший динамический диапазон, чем пленка. Стив Манн разработал и запатентовал метод global-HDR для создания цифровых изображений с расширенным динамическим диапазоном в лаборатории MIT Media Lab . Метод Манна включал двухэтапную процедуру: во-первых, сгенерируйте один массив изображений с плавающей запятой с помощью глобальных операций с изображениями (операций, которые влияют на все пиксели одинаково, без учета их локальных окрестностей). Во-вторых, преобразуйте этот массив изображений с помощью локальной обработки окрестностей (переназначение тона и т. Д.) В изображение HDR. Массив изображения , сформированный на первом этапе процесса Манны называется lightspace изображения , lightspace изображения или карта сияния . Еще одно преимущество глобального HDR-изображения заключается в том, что оно обеспечивает доступ к промежуточной карте освещения или яркости, которая использовалась для компьютерного зрения и других операций обработки изображений .

21-й век

В феврале 2001 года была продемонстрирована техника Dynamic Ranger с использованием нескольких фотографий с разными уровнями экспозиции для достижения высокого динамического диапазона, подобного невооруженному глазу.

В 2005 году Adobe Systems представила несколько новых функций в Photoshop CS2, включая слияние с HDR , поддержку 32-битных изображений с плавающей запятой и отображение тонов HDR.

30 июня 2016 года Microsoft добавила поддержку цифрового композитинга HDR-изображений в Windows 10 с использованием универсальной платформы Windows .

Примеры

Обработка HDR

Это пример четырех изображений со стандартным динамическим диапазоном, которые объединяются для получения трех результирующих изображений с отображением тонов :

Исходные изображения

Результаты после обработки

• Простое уменьшение контрастности

• Локальное отображение тонов

• Естественное отображение тонов

Это пример сцены с очень широким динамическим диапазоном:

Исходные изображения

Результаты после обработки

• Естественное отображение тонов

Аномалии множественных экспозиций

В этом изображении, сделанном iPhone 6, использовался HDR, и на нем были видны и тенистая трава, и яркое небо, но стремительный удар в гольф привел к появлению «призрачной» клюшки.

Быстро движущийся объект (или неустойчивая камера) приведет к эффекту «призрака» или эффекту ступенчатого размытия, поскольку объединенные изображения не идентичны, но каждое из них захватывает движущийся объект в разный момент времени. с изменением его положения. Внезапные изменения условий освещения (например, облако, закрывающее солнце) также могут помешать достижению желаемых результатов, создавая один или несколько слоев HDR, которые действительно имеют яркость, ожидаемую автоматизированной системой HDR, хотя все еще можно получить разумное HDR-изображение вручную в программном обеспечении, переставляя слои изображения для объединения в порядке их фактической яркости.

Датчики HDR

Современные датчики изображения CMOS часто могут захватывать широкий динамический диапазон за одну экспозицию. Широкий динамический диапазон захваченного изображения нелинейно сжимается в электронное представление с меньшим динамическим диапазоном. Однако при правильной обработке информацию от одной экспозиции можно использовать для создания HDR-изображения.

Такое изображение HDR используется в приложениях с экстремальным динамическим диапазоном, таких как сварка или автомобильные работы. В камерах видеонаблюдения вместо HDR используется термин «широкий динамический диапазон». Из-за нелинейности некоторых датчиков на изображении могут возникать артефакты. Некоторые другие камеры, предназначенные для использования в приложениях безопасности, могут автоматически предоставлять два или более изображения для каждого кадра с изменением экспозиции. Например, датчик для видео со скоростью 30 кадров в секунду выдаст 60 кадров в секунду с нечетными кадрами при коротком времени экспозиции и четными кадрами при более длительном времени экспозиции. Некоторые датчики на современных телефонах и камерах могут даже комбинировать два изображения на кристалле, так что более широкий динамический диапазон без сжатия в пикселях напрямую доступен пользователю для отображения или обработки.

Смотрите также

Ссылки

Аудио с динамическим диапазоном [объяснения эксперта]

Динамический диапазон (DR) аудио — это разница между максимальным и минимальным уровнями сигнала. Но не все так просто. Ознакомьтесь с пояснениями к методам измерения, их отличиям от разработчика аудиопрограммы Юрия Корзунова.

ВНИМАНИЕ:
• DSF, DFF, ISO (1-битный звук) поддерживаются в максимальном PROduce-RD и настраиваемом Modula-R
• Для дорожек ISO, DSF, DFF длиной более 3 минут БЕСПЛАТНОЕ отключение демо 2 секунды тишины в середине вывода
• DVD ISO НЕ поддерживается.

Введение

Динамический диапазон может иметь 2 значения: для аудиоустройства / программного обеспечения / формата и аудиосигнала.

1. DR аудиоустройства — это разница между максимальным и минимально допустимым уровнем сигнала внутри устройства / программного обеспечения / формата.
2. DR аудиосигнала — это разница между максимальным и минимальным уровнями сигнала.

В этой статье мы обсудим первое значение.

У динамического диапазона есть несколько определений. Потому что минимальный и максимальный уровни можно измерить по-разному.

Прочтите подробную информацию о проблемах минимального и максимального уровней.

Как рассчитывается динамический диапазон

Когда сигнал проходит через аудиоблок / программное обеспечение (как цифровой, так и аналоговый), его уровень ограничивается минимальным и максимальным значениями. Динамический диапазон рассчитывается как разница между этими уровнями:

DR = [Максимальный уровень, дБ] — [Минимальный уровень, дБ]

Максимальный уровень

Максимальный уровень звукового сигнала

Когда сигнал достигает значения перегрузки, в нем появляются нелинейные искажения, которые показаны в левой части изображения красными составляющими.

Перегрузка звука. Это выходной сигнал для входного синуса

Чистые цифровые системы (например, программное обеспечение) имеют четкую границу между искаженными и неискаженными сигналами.

Пример:

16-битный сигнал имеет максимальное значение: 2 ¹⁵ -1.
Когда сигнал достигает следующего уровня ( 2 ¹⁵ ), это вызывает перегрузку (математическое переполнение), и 2 ¹⁵ преобразуется в -2 ¹⁵ (минимально допустимое значение).

Перегрузка цифрового сигнала

Такое преобразование может вызвать громкий щелчок. Чтобы избежать щелчка, обработка выполняется с более высоким битовым разрешением. Перед преобразованием в целевое (более низкое) битовое разрешение сигнал проверяется на перегрузку. Если есть перегрузка, уровень перегруженных образцов ограничивается максимально допустимым уровнем отсека. Такой вид перегрузки аналогичен традиционному аналогу, что вызывает искажения без больших «щелчков цифровой перегрузки».

Аналоговая перегрузка имеет плавную границу перегрузки.В правой верхней части картинки отображается характеристика уровня ввода-вывода.

Аналоговые нелинейные искажения. Характеристика ввода-вывода

При приближении уровня входного сигнала к максимальному значению искажения тоже растут. Потому что интенсивность искажений зависит от уровня из-за нелинейности.

Характеристики уровня входа-выхода показывают зависимость выходного уровня от входного.

Эта характеристика может быть линейной (простая линия) или нелинейной, как на изображении.

Посмотрим на самые высокие уровни. A-область при характеристическом воздействии на форму волны в области B выходного сигнала. Таким образом, вид нелинейности в области A определяет искажения на выходе (область B) при уровне входного сигнала около максимального значения. Другими словами, разные уровни входного сигнала порождают на выходе разные уровни компонентов искажения.

Для цифрового сигнала может применяться простая двоичная логика («с искажением» или «без» искажения).

Для аналогового сигнала мы можем оценить различные уровни искажения для разных уровней входного сигнала.Граница перегрузки плавная.

Следовательно, для аналогового сигнала максимальный уровень может быть принят как уровень, вызывающий целевую интенсивность искажений.

Подробнее: Цифровое и аналоговое аудио …

В качестве примера за максимальный уровень может быть принят уровень, при котором доля искажений в общей энергии больше, чем заданное значение.

Минимальный уровень

Когда уровень сигнала уменьшается, он достигает минимального уровня шума и скрывается под ним. Это справедливо как для цифровых, так и для аналоговых сигналов.

Минимальный уровень звукового сигнала

Есть разница в характере шума. Аналоговый шум — это шум электронных компонентов. Чистый цифровой шум — это шум квантования. Захваченные цифровые сигналы имеют оба вида шума: от электронных компонентов и от квантования. Но для оценки минимального уровня это не имеет значения.

Следовательно, минимальный уровень имеет разное качество звука для разных значений.

Для чисто цифровых устройств и программного обеспечения качество определяется соотношением сигнал / шум.

Для аналоговых систем качество также определяется нелинейностью характеристики ввода-вывода измеряемого устройства.

Когда мы рассматриваем динамический диапазон как разницу между минимальным уровнем шума и уровнем перегрузки, оценка качества теряется.

Когда сигнал «тонет» в шуме, мы не можем его распознать. Так что такой способ оценки динамического диапазона слишком оптимистичен.

Мы хотим слушать минимальный уровень в заданном качестве. Качество определяется соотношением сигнал / шум.

Аналоговые системы имеют разную линейность для разных уровней. Нелинейность порождает искажения: спектральные продукты, которые коррелируют с исходным чистым сигналом. Таким образом, мы должны учитывать и искажения как шум. Мы можем посмотреть аналогичный пример с самыми высокими уровнями здесь.

Соотношение сигнал / шум

Отношение сигнал / шум — это соотношение между энергиями сигнала и шума.

Энергия может быть оценена как квадрат спектра мощности.

Power — уровень ² .

Отношение сигнал / шум в спектре мощности

Если мы можем локализовать спектр сигнала, то остальной спектр мы можем принять как шум и искажения.

Это причина, по которой мы не можем использовать музыку в качестве тестового сигнала. Музыка имеет плотный спектр и практически невозможно отделить шум, искажения и исходный сигнал.

Кроме того, использование сложных сигналов (например, многотональных) может вызвать проблемы разделения сигнала и шума.

Мы можем постепенно снижать уровень шума для достижения заданного отношения сигнал / [шум и искажения]. Этот уровень принят как минимальный.

Расчет энергии сигнала (квадрата) значения не имеет. Но для разных методов полоса сигнала может приниматься по-разному.

Также можно рассчитать энергию шума и сигнала с учетом психоакустики: контур равной громкости.

Часто задаваемые вопросы

Что такое динамический диапазон в аудио?

Динамический диапазон — это свойство аудиоустройства или обработки звука.Кроме того, диапазон уровня записи музыки считается динамическим диапазоном. Подробнее …

Что такое хороший динамический диапазон?

Как вид измерения динамический диапазон может иметь разные интерпретации, что связано с психоакустикой.

Также динамический диапазон зависит от музыкального жанра.

Примерно можно считать минимально допустимое отношение сигнал / шум самого низкого сигнала, как у аналоговых устройств — около 40 … 60 дБ. Это самое тихое место музыкального произведения.

Итак, чтобы найти разницу между максимальной громкостью и минимальным уровнем шума, мы должны добавить разницу между самым тихим местом и максимальной громкостью фрагмента к SNR.

Примеры:

1. Когда разница между фортиссимо и пианиссимо (максимальная и минимальная громкость) составляет 60 дБ: динамический диапазон составляет 60 дБ, а разница между максимальной громкостью и минимальным уровнем шума составляет 60 дБ + [40 … 60] дБ = 100 … 120 дБ.
2. Когда разница между фортиссимо и пианиссимо (максимальная и минимальная громкость) составляет 80 дБ: динамический диапазон составляет 80 дБ, а разница между максимальной громкостью и минимальным уровнем шума составляет 80 дБ + [40…60] дБ = 120 … 140 дБ.

Что означает динамический звук?

Звук в громких (или слишком громких) и тихих (для тихих) местах.

Выводы

1. Упрощенный динамический диапазон — это разница между сигналом, вызывающим перегрузку, и минимальным уровнем шума.
2. При оценке динамического диапазона звука необходимо учитывать качество звука.
3. Динамический диапазон по цели №2 имеет меньшую ценность, чем упрощенное определение по цели №1.

Упрощенная оценка динамического диапазона

Оценка динамического диапазона с учетом качества звука

Ссылки

Динамический диапазон Vynil

Динамический диапазон ленты

---

Читать статьи

Обновлено 1 июля 2020 г. | с 20 ноября 2017 г.

Динамический диапазон

Динамический диапазон , сокращенно DR или DNR , ^[1] — это соотношение между наибольшим и наименьшим возможными значениями изменяемой величины, например звука и света.Он измеряется как отношение или как логарифмическое значение по основанию 10 (децибелы) или основание 2 (удвоения, биты или остановки).

Динамический диапазон и человеческое восприятие

Коэффициент (мощность)	Децибел	Остановки
1	0	0
2	3,01	1
3,16	5	1.66
4	6,02	2
5	6,99	2,32
8	9,03	3
10	10	3,32
16	12,0	4
20	13.0	4,32
31,6	15	4,98
32	15,1	5
50	17,0	5,64
100	20	6,64
1 000	30	9,97
1 024	30.1	10
10 000	40	13,3
100 000	50	16,6
1 000 000	60	19,9
1 048 576	60,2	20
100000000	80	26.6
1 073 741 824	90,3	30
10 000 000 000	100	33,2

Чувства зрения и слуха человека имеют очень высокий динамический диапазон. Человек способен слышать (и с пользой различать) что угодно, от тихого бормотания в звукоизолированной комнате до звука самого громкого концерта хэви-метала. Такая разница может превышать 100 дБ, что составляет 100 000 раз по амплитуде и 10 000 000 000 по мощности. ^{[2] [3]} Человек может видеть объекты при свете звезд (хотя цветовая дифференциация снижается при низких уровнях освещенности) или при ярком солнечном свете, даже если в безлунную ночь объекты получают 1/1 000 000 000 освещения, которое они бы получали. яркий солнечный день: это динамический диапазон 90 дБ. ^{[ необходимая ссылка ]} Человек не может выполнять эти подвиги восприятия на обоих крайних уровнях шкалы одновременно. Глазам требуется время, чтобы приспособиться к различным уровням освещения, а динамический диапазон человеческого глаза в данной сцене на самом деле весьма ограничен из-за оптических бликов.Мгновенный динамический диапазон восприятия звука человеком также подлежит маскировке, так что, например, шепот нельзя услышать в громкой обстановке. Тем не менее, система воспроизведения звука хорошего качества должна быть способна точно воспроизводить как тихие, так и громкие звуки; Точно так же система визуального отображения хорошего качества должна улавливать как детали теней в ночных сценах, так и яркие области солнечных сцен.

На практике трудно достичь полного динамического диапазона, доступного человеку, использующему электронное оборудование.При электронном воспроизведении аудио и видео часто используются некоторые уловки, чтобы уместить исходный материал с широким динамическим диапазоном в более узкий записанный динамический диапазон, который легче сохранять и воспроизводить: эти методы называются сжатием динамического диапазона. Например, ЖК-дисплей хорошего качества имеет динамический диапазон около 1000: 1 (коммерчески динамический диапазон часто называют «коэффициентом контрастности», что означает соотношение полной / полной яркости), а также некоторые из последних изображений CMOS датчики теперь измеряют динамический диапазон около 11000: 1 (сообщается как 13.5 остановок или удвоений, эквивалентных двоичным битам). ^[4] Отражательная способность бумаги позволяет достичь динамического диапазона около 100: 1. ^[5] Профессиональные видеокамеры ENG, такие как Sony Digital Betacam, в настоящее время достигают динамических диапазонов более 90 дБ при записи звука. ^[6]

При просмотре фильма или игры дисплей может отображать как темные ночные сцены, так и яркие сцены, освещенные солнцем на открытом воздухе, но на самом деле уровень света, исходящего от дисплея, во многом одинаков для обоих типов сцен (возможно, отличается на фактор 10).Зная, что дисплей не имеет большого динамического диапазона, разработчики программ не пытаются сделать ночные сцены в миллионы раз менее яркими, чем дневные, а вместо этого используют другие реплики, чтобы предложить ночь или день. Ночная сцена обычно содержит более тусклые цвета и часто освещается синим светом, который отражает то, как человеческий глаз видит цвета при низком уровне освещенности.

Примеры использования

Аудио

Аудиоинженеры часто используют динамический диапазон для описания отношения амплитуды самой громкой неискаженной синусоидальной волны к среднеквадратичной (среднеквадратичной) амплитуде шума, скажем, микрофона или громкоговорителя.

Динамический диапазон человеческого слуха составляет примерно 140 дБ. ^{[7] [ сомнительно — обсудить ]} Динамический диапазон музыки, обычно воспринимаемой в концертном зале, не превышает 80 дБ, а человеческая речь обычно воспринимается в диапазоне примерно 40 дБ. ^[8]

Динамический диапазон отличается от отношения максимальной амплитуды к минимальной, которую может записать данное устройство, поскольку записывающее устройство с должным сглаживанием может записывать сигналы, значительно ниже среднеквадратичной амплитуды шума (минимального уровня шума).

Например, если потолок устройства составляет 5 В (среднеквадратичное значение), а минимальный уровень шума составляет 10 мкВ (среднеквадратичное значение), то динамический диапазон составляет 500000: 1 или 114 дБ:

.

В теории цифрового звука динамический диапазон ограничен ошибкой квантования. Максимально достижимый динамический диапазон для цифровой аудиосистемы с равномерным квантованием Q бит рассчитывается как отношение наибольшего среднеквадратичного значения синусоидального сигнала к среднеквадратичному шуму: ^[9]

Максимально достижимое отношение сигнал / шум (SNR) для цифровой аудиосистемы с Q -битным равномерным квантованием составляет

16-битный компакт-диск имеет теоретический динамический диапазон около 96 дБ ^[10] (или около 98 дБ для синусоидальных сигналов по формуле ^[9] ).Цифровой звук с 20-битной оцифровкой теоретически может иметь динамический диапазон 120 дБ; аналогично 24-битный цифровой звук рассчитывается как динамический диапазон 144 дБ. ^[7] Все цепочки цифровой аудиозаписи и воспроизведения включают преобразователи ввода и вывода и соответствующие аналоговые схемы, значительно ограничивающие практический динамический диапазон. Наблюдаемый динамический диапазон 16-битного цифрового звука составляет около 90 дБ. ^[10]

Динамический диапазон аналогового звука — это разница между тепловым шумом низкого уровня в электронных схемах и насыщением сигнала высокого уровня, приводящим к увеличению искажений и, при увеличении, клиппированию. ^[7] Множественные шумовые процессы определяют минимальный уровень шума системы. Шум может быть уловлен собственным шумом микрофона, шумом предусилителя, шумом проводов и межсоединений, шумом среды и т. Д. Ранние фонографические диски со скоростью вращения 78 об / мин имели динамический диапазон до 40 дБ, ^[11] вскоре уменьшился до 30 дБ и хуже из-за износа от повторяющихся игр. Немецкая магнитная лента в 1941 году, как сообщалось, имела динамический диапазон 60 дБ, ^[12] , хотя современные специалисты по восстановлению таких лент отмечают 45-50 дБ как наблюдаемый динамический диапазон. ^[13] Магнитофоны Ampex в 1950-х годах достигли 60 дБ при практическом использовании, ^[12] , хотя такие ленты, как Scotch 111, имели динамический диапазон 68 дБ. ^[14] В 1960-х годах усовершенствования в процессах создания ленты привели к увеличению диапазона на 7 дБ. ^[14] и Рэй Долби разработали систему шумоподавления Dolby A-Type, которая увеличила динамический диапазон низких и средних частот на магнитных ленту на 10 дБ и высокочастотную на 15 дБ, используя компандирование (сжатие и расширение) четырех полос частот. ^[15] Пик профессиональной аналоговой технологии магнитной записи достиг динамического диапазона 90 дБ на средних частотах при 3% искажении, или около 80 дБ в практических широкополосных приложениях. ^[14] Система шумоподавления Dolby SR дала дополнительный увеличенный диапазон на 20 дБ, что привело к 110 дБ на средних частотах при 3% искажении. ^[16] Компактная кассетная лента Производительность варьируется от 50 до 56 дБ в зависимости от состава ленты, при этом ленты типа Metal Type IV дают наибольший динамический диапазон, а такие системы, как XDR, dbx и система шумоподавления Dolby, увеличивают его еще больше.Специализированное смещение и усовершенствования записывающей головки от Накамичи и Тандберга в сочетании с шумоподавлением Dolby C дали динамический диапазон для кассеты 72 дБ. Виниловые пластинки фонографа с микроканавками обычно дают звук 55-65 дБ, хотя первый люфт внешних колец с более высокой точностью может обеспечить динамический диапазон 70 дБ. ^[17] Прочные элементы микрофонов с подвижной катушкой могут иметь динамический диапазон до 140 дБ (при повышенных искажениях), в то время как конденсаторные микрофоны ограничены перегрузкой связанных с ними электронных схем. ^[7] Практические соображения относительно приемлемых уровней искажений в микрофонах в сочетании с типичной практикой в ​​студии звукозаписи приводят к полезному рабочему диапазону 125 дБ. ^[18]

В 1981 году исследователи из Ampex определили, что для субъективного бесшумного воспроизведения музыки в тихой обстановке необходим динамический диапазон 118 дБ для цифрового аудиопотока с дизерингом. ^[19]

С начала 1990-х годов несколько органов, в том числе Общество инженеров аудио, рекомендовали проводить измерения динамического диапазона при наличии аудиосигнала, который затем фильтруется для определения минимального уровня шума. ^[20] Это позволяет избежать сомнительных измерений, основанных на использовании пустых носителей или схем подавления.

Электроника

Инженеры-электронщики применяют этот термин к:

В приложениях для аудио и электроники это отношение часто настолько велико, что оно преобразуется в логарифм и указывается в децибелах.

Метрология

В метрологии, например, когда выполняется для поддержки научных, инженерных или производственных целей, динамический диапазон относится к диапазону значений, которые могут быть измерены датчиком или метрологическим прибором.Часто этот динамический диапазон измерения ограничивается на одном конце диапазона насыщением сенсорного датчика сигнала или физическими ограничениями, которые существуют на движение или другую способность реагирования механического индикатора. Другой конец динамического диапазона измерения часто ограничен одним или несколькими источниками случайного шума или неопределенности в уровнях сигнала, которые можно описать как определение чувствительности датчика или метрологического устройства. Когда цифровые датчики или преобразователи сигналов датчиков являются компонентом датчика или метрологического устройства, динамический диапазон измерения также будет связан с количеством двоичных цифр (битов), используемых в цифровом числовом представлении, в котором измеренное значение линейно связано с цифровой номер.Например, 12-битный цифровой датчик или преобразователь может обеспечить динамический диапазон, в котором отношение максимального измеренного значения к минимальному измеренному значению составляет до 2 ¹² = 4096. С помощью гамма-коррекции это ограничение можно несколько ослабить. ; например, 8-битное кодирование, используемое при кодировании изображения sRGB, представляет максимальное отношение к минимальному примерно 3000.

Метрологические системы и устройства могут использовать несколько основных методов для увеличения своего основного динамического диапазона. Эти методы включают в себя усреднение и другие формы фильтрации, повторение измерений, нелинейные преобразования во избежание насыщения и т. Д.В более продвинутых формах метрологии, таких как многоволновая цифровая голография, измерения интерферометрии, выполненные в разных масштабах (на разных длинах волн), можно комбинировать, чтобы сохранить то же самое низкое разрешение, одновременно расширяя верхний предел динамического диапазона измерения на порядки.

Музыка

В музыке динамический диапазон — это разница между самой тихой и максимальной громкостью инструмента, партии или музыкального произведения. В современной записи этот диапазон часто ограничивается сжатием уровня звука, что позволяет увеличить громкость, но может сделать звук записи менее захватывающим или живым. ^[21] Популярная музыка обычно имеет динамический диапазон от 6 до 10 дБ, а некоторые музыкальные жанры имеют всего лишь 1 дБ или даже 15 дБ. ^[22] См. Дополнительную информацию в разделе Война за громкость.

Фотография

Изображение с высоким динамическим диапазоном.

Фотографы используют «динамический диапазон» для диапазона яркости снимаемой сцены или пределы диапазона яркости, который может зафиксировать данная цифровая камера или пленка, ^[23] или диапазон непрозрачности проявленных пленочных изображений, или диапазон отражения изображений на фотобумаге.

Градуированные фильтры нейтральной плотности используются для уменьшения динамического диапазона яркости сцены, который может быть зафиксирован на фотопленке (или на датчике изображения цифровой камеры): фильтр помещается перед объективом во время экспонирования. ; верхняя половина темная, а нижняя — прозрачная. Темная область помещается над областью высокой интенсивности сцены, такой как небо. В результате получается более ровная экспозиция в фокальной плоскости с повышенной детализацией в тенях и областях с низким освещением.Хотя это не увеличивает фиксированный динамический диапазон, доступный на пленке или датчике, на практике он расширяет полезный динамический диапазон. ^[24]

Динамический диапазон сенсоров, используемых в цифровой фотографии, во много раз меньше, чем у человеческого глаза, и, как правило, не такой широкий, как у химических фотографических носителей. В области создания цифровых изображений были разработаны алгоритмы, позволяющие по-разному отображать изображение в тени и в свету, чтобы лучше распределить диапазон освещения по изображению.Эти методы известны как локальное отображение тонов и обычно включают преодоление ограниченного динамического диапазона матрицы датчиков путем выборочного комбинирования нескольких экспозиций одной и той же сцены для сохранения деталей в светлых и темных областях. Тот же подход использовался в химической фотографии для захвата чрезвычайно широкого динамического диапазона: например, для записи испытаний ядерного оружия использовалась трехслойная пленка с каждым нижележащим слоем с чувствительностью 1/100 следующего более высокого. . ^[25]

Самое серьезное ограничение динамического диапазона в фотографии может включать не кодирование, а воспроизведение, скажем, бумажной копии или экрана компьютера.В этом случае не только локальное отображение тонов, но и регулировка динамического диапазона могут быть эффективны для выявления деталей во всех светлых и темных областях: принцип такой же, как у осветления и затемнения (с использованием разной длительности экспозиции в разных областях, когда фотопечать) в химической фотолаборатории. Этот принцип также аналогичен усилению или автоматическому контролю уровня при работе со звуком, который служит для сохранения слышимости сигнала в шумной среде прослушивания и предотвращения пиковых уровней, которые перегружают воспроизводящее оборудование или которые являются неестественно или неудобно громкими. ^{a b} Фрис, Брюс; Марти Фрайс (2005). Основы цифрового аудио . O’Reilly Media. С. 147. ISBN 0596008562. http://books.google.com/books?id=w0vsd5z2Rg4C&pg=PA147. «Цифровой звук с 16-битным разрешением имеет теоретический динамический диапазон 96 дБ, но реальный динамический диапазон обычно ниже из-за накладных расходов от фильтров, встроенных в большинство аудиосистем». … «Аудио компакт-диски достигают отношения сигнал / шум около 90 дБ. http://www.fas.org/irp/threat/mctl98-2/p2sec05.pdf, страницы 101 и 108

Внешний список

Как понимать и использовать динамический диапазон для получения потрясающих фотографий

Выдувание светлых участков или недоэкспонирование теней разрушает детали ваших изображений. Это оставляет фотографию тусклой.

Понимание динамического диапазона может помочь сохранить эти детали неизменными. От неба на пейзажной фотографии до теней в уличной фотографии.

Узнайте, как добиться максимального динамического диапазона от камеры, из этого руководства для начинающих.

Что такое динамический диапазон?

Камеры не могут уловить все детали сцены при слишком ярком свете. Либо самые яркие области превратятся в белые пятна. Или самые темные области станут черными без деталей. Динамический диапазон объясняет, почему именно это происходит.

Датчик цифровой камеры (или полоса пленки) может улавливать только ограниченный диапазон света.Это динамический диапазон. Ограничения динамического диапазона часто проявляются в ярких сценах с большим контрастом.

В пасмурный день большинство фотоаппаратов может запечатлеть самые темные и самые яркие области изображения. Он будет правильно экспонирован на одном кадре. Добавьте яркий, направленный свет, и это совсем другая история. Сюда входят портреты с подсветкой или пейзажные сцены.

Динамический диапазон в фотографии — это диапазон света, который камера может уловить за одну экспозицию.Человеческий глаз может видеть детали в свете с динамическим диапазоном около 20 ступеней. Цифровым зеркальным фотоаппаратам и беззеркальным камерам часто удается запечатлеть половину этой суммы.

Камеры не видят такой же динамический диапазон, как наши собственные глаза. Это сияющее голубое небо, которое вы видите на камеру, становится переэкспонированной белой массой. Или совершенно темный передний план.

Настройки, используемые в камере, могут определять, для каких настроек установлен этот диапазон. К ним относятся яркие условия, такие как солнечный свет. Или в темных условиях, например, при ночной съемке.

Экспонирование самых ярких областей изображения не повлияет на эти области. Но остальная часть сцены будет темной, как в силуэте. Или вы можете выставить самые темные части сцены. В результате светлые участки превращаются в белые пятна.

Наконец-то можно было выставить для полутонов. Но вы можете потерять детали как на ярких, так и на темных участках изображения.

Вы можете выбрать экспозицию, чтобы не повредить светлые участки, средние тона или тени. Но выдержка и диафрагма не увеличивают пределы динамического диапазона камеры.

ISO играет роль в динамическом диапазоне. Более высокие настройки ISO ограничивают диапазон света, который захватывает камера. ISO не решит большинство проблем с динамическим диапазоном. Это может сыграть небольшую роль в том, что камера способна снимать.

Использование низкого ISO не позволит вам идеально запечатлеть высококонтрастную сцену. Но это дает преимущество перед высокими ISO.

Динамический диапазон не означает, что вы вынуждены выбирать между тем, чтобы оставить самые яркие или самые темные участки изображения нетронутыми на всю жизнь.

Вы можете использовать трюки в камере и / или редактировать фотографии. И вы можете выйти за рамки того, что ваша камера способна сделать за один снимок. Вот как исправить распространенные проблемы с динамическим диапазоном в фотографии.

Как улучшить динамический диапазон без редактирования фотографий

Вы можете расширить динамический диапазон с помощью High Dynamic Range. Но у процесса HDR есть несколько недостатков (подробнее об этом чуть позже).

Есть и другие приемы, которые можно использовать. Это позволит избежать переэкспонирования светлых участков или недоэкспонирования теней в камере.

Многие из этих приемов фактически не регулируют динамический диапазон, который камера может захватывать. Вместо этого они регулируют диапазон света в сцене, добавляя или удаляя свет.

Снимайте снова в лучшую погоду, в тени или под другим углом

Самый распространенный тип сцены, которую камера не может хорошо запечатлеть в одном кадре, — это сцена, ярко освещенная солнцем. Иногда можно дождаться лучшей погоды, другого времени дня или уйти в тень. Это может контраст в сцене.

Допустим, вы снимаете в солнечный полдень. Вы снимаете сцену с широким динамическим диапазоном между ярким солнцем и окружающим пейзажем.

Дождитесь облачного дня или снимайте рано или поздно днем, когда солнце не светит над головой. Это упростит съемку кадра.

Другой вариант, в зависимости от типа съемки, — переместить объект в тень.

Может помочь даже корректировка композиции. Направьте камеру на солнце, и небо станет намного ярче, чем пейзаж с подсветкой.

Если вы приложите солнце к спине, это поможет осветить сцену. Это создаст вид с достаточно узким динамическим диапазоном, чтобы ваша камера могла его запечатлеть.

Дождаться лучшей погоды или развернуться — не всегда или лучший вариант. Нельзя фотографировать закат спиной к солнцу. Или, может быть, вы путешествуете и у вас есть только один шанс полюбоваться этим видом перед собой.

Самый простой вариант — дождаться лучшей погоды или лучшего ракурса.Но это не единственные варианты.

Используйте градуированный фильтр нейтральной плотности

Градуированный фильтр нейтральной плотности может решить одну из наиболее распространенных проблем динамического диапазона — слишком яркое небо. Он блокирует свет только от части изображения.

Подобно солнцезащитным очкам для объектива камеры, фильтр нейтральной плотности помогает блокировать свет. Градуированный фильтр нейтральной плотности блокирует свет только в части фотографии. Это делает его идеальным инструментом для решения проблем с динамическим диапазоном.

Поместите затемненную часть фильтра на небо (или любую другую часть изображения, которая слишком яркая). Теперь небо становится сбалансированным с остальной частью сцены.

Вы больше не пытаетесь увеличить способность камеры снимать более широкий динамический диапазон. Вместо этого градиентный фильтр нейтральной плотности уменьшает диапазон света в сцене. Еще до того, как это пройдет через объектив камеры.

Градуированные фильтры нейтральной плотности бывают разных степеней силы. Если небо немного переэкспонировано, используйте более светлый фильтр, например GND.3 могут сделать свое дело.

Если небо сильно переэкспонировано, вам понадобится более сильный фильтр, чтобы исправить эту проблему. Попробуйте GND 3.0.

Квадратные или прямоугольные градуированные фильтры нейтральной плотности работают лучше, чем круглые ввинчиваемые. Они предлагают большую гибкость при размещении там, где находится более темная часть фильтра.

Фильтры

— один из самых простых способов исправить проблемы с динамическим диапазоном. Но они не подходят для каждого сценария. Градуированные фильтры нейтральной плотности лучше всего работают с прямым горизонтом.

Представьте, что вы делаете снимок небоскребов, выступающих в небо. Этот же фильтр затемнит верхнюю часть небоскребов и небо.

Использовать вспышку или искусственное освещение

Другой вариант — добавить больше света. Использование вспышки или видеолампы поможет заполнить самые темные участки изображения.

Заполнение теней уменьшает разницу между темными и светлыми областями. Это позволяет вашей камере улавливать весь диапазон света на одной фотографии.

Рассмотрим портрет, освещенный солнцем сзади. Используя режим замера камеры, вы можете выставить лицо, чтобы объект оставался хорошо экспонированным. Это оставит фон переэкспонированным.

При использовании

Сжатие динамического диапазона Pt 1

Введение

Чтобы освоить сжатие динамического диапазона, мы должны сначала определить, что такое динамический диапазон в аудио, а во-вторых, как мы его измеряем.

Мы увидим, как улучшенные технологии позволили нам увеличить динамический диапазон в записях, но также зададимся вопросом, есть ли в этом смысл.Мы начнем с основ, позже мы увидим, как это связано с такими темами, как «война за громкость» и создание отличных миксов.

Что такое динамический диапазон человеческого слуха?

Мы эволюционировали, чтобы слышать определенный диапазон громкости от очень тихого до очень громкого. Динамический диапазон нашего слуха — это разница между самыми тихими звуками, которые мы можем слышать (порог слышимости), и звуками, которые настолько громкими, что вызывают боль (порог боли).

Как измерить динамический диапазон человеческого слуха?

Мы измеряем его в децибелах (дБ).Порог человеческого слуха измеряется как 0 дБ SPL (уровень звукового давления), а порог боли — 120 дБ SPL. Следовательно, динамический диапазон составляет 120 дБ.

Децибел (дБ) — логарифмическая единица. Я пропущу здесь математику, но в основном с точки зрения мощности 120 дБ примерно в 1 000 000 000 000 раз мощнее, чем 0 дБ. Это очень широкий диапазон громкости для вас.

Что такое Возможный динамический диапазон записываемой музыки?

Динамический диапазон носителя записи (например, звуковой карты или ленты) — это разница между самым громким звуком, который может быть записан без искажений, и самым тихим звуком, который может быть записан без исчезновения фонового шума.Во времена магнитофона этот фоновый шум был шипением ленты, в настоящее время в цифровом формате это количество битов, которое мы можем записать.

Вот некоторые приблизительные динамические диапазоны различных носителей записи:

Диски для фонографов 78 об / мин	Компактная кассета	Цифровой
= 40 дБ быстро снижается до 30 дБ и хуже из-за износа	= 50 дБ	16-битный звук = 96 дБ 24-битный звук = 144 дБ

Какой у Useful Dynamic Range записываемой музыки?

Вот примерные динамические диапазоны различных стилей музыки, исполняемой вживую:

Симфонический оркестр — 50 дБ
Камерная музыка — 30 дБ
Рок-группа — 20 дБ

Если мы хотим сделать нашу записанную музыку наиболее приятной для большинства слушателей, мы должны принять во внимание с , какое оборудование и , где они, вероятно, будут воспроизводить музыку.Предположим, это будет в обычной домашней среде с фоновым шумом 40 дБА [1] (A в дБА — это особый тип измерения дБ, который учитывает, что ухо более чувствительно на средних частотах).

Мы также предположим, что максимальная громкость, которую они собираются воспроизводить, составляет 100 дБА, это громко.

100 дБа (максимальная громкость) — 40 дБА (фоновый шум) = динамический диапазон 60 дБ

Теперь мы приблизились к тому, что средний слушатель Hi-Fi может слышать только динамический диапазон 60 дБ, но он ниже! Когда самые тихие части музыки находятся на пороге их слышимости, это не будет весело, их будет сложно слушать.

Можно сделать следующее обобщение по тематике статьи:

Полезный динамический диапазон для записанной музыки для среднего слушателя составляет 30 дБ

Итак, мы вернулись к используемому динамическому диапазону изношенного винила 78 об / мин 🙂

Почему динамический диапазон — это хорошо при записываемой музыке?

Если музыкальное произведение имеет одинаковую громкость на всем протяжении, действительно ли оно вообще громкое? Если нет тихих частей, то как мы можем определить громкие части? Часто припев, естественно, хочет быть громче куплета, чтобы придать ему эффект.Переход от шепота к крику требует большого динамического диапазона. Когда мы создаем и производим музыку, мы можем использовать динамический диапазон для музыкального выражения. Мы можем объединить в одной песне мягко щипковые гитары и динамичные басовые партии техно.

Так что же такое сжатие динамического диапазона?

Теперь мы точно понимаем, что такое динамический диапазон, и можем очень легко ответить на вопрос, что такое сжатие динамического диапазона. Это просто , что делает разницу между самой тихой и самой громкой частями за вычетом .Это делается по разным причинам, в том числе:

• Чтобы сделать звук записи более громким, уменьшив его самые громкие участки, тем самым увеличив громкость тихих участков (при мастеринге).

• Для того, чтобы отдельные элементы в записи оставались на более постоянной громкости, например, сжатие динамического вокала, чтобы тихие части не терялись под остальной частью микса, а громкие части не выпрыгивали (при микшировании).

Сжатие динамического диапазона отличается от нормализации. Чтобы точно узнать, что это такое, ознакомьтесь с моей статьей «Как нормализовать звук — зачем это делать?». Все, что Вам нужно знать.

Заключение

Человеческое ухо — удивительно тонкое устройство, оно может слышать огромный диапазон громкости от ветра, мягко шуршащего в деревьях, до взрывающейся бомбы.

Благодаря современной технологии записи и воспроизведения у нас есть более широкий динамический диапазон, чем мы когда-либо могли бы использовать. У нас был 96 дБ динамического диапазона, доступного с 80-х годов с CD. Ранее мы продемонстрировали, что максимальный диапазон, который может слышать средний слушатель, составляет около 60 дБ, а на самом деле он когда-либо захочет — 30 дБ.

Очень мало записанной сегодня музыки имеет динамический диапазон 30 дБ. Многие современные музыкальные стили не требуют многого. Часто динамический диапазон слишком сильно уменьшается при мастеринге, это темная сторона сжатия динамического диапазона и приводит к «войне громкости».