Динамический диапазон в цифровой фотографии
Динамический диапазон в фотографии описывает соотношение между максимальной и минимальной измеримой интенсивностью света (белым и чёрным, соответственно). В природе не существует абсолютно белого или чёрного — только различные степени интенсивности источника света и отражательной способности предмета. В силу этого концепция динамического диапазона усложняется и зависит от того, описываете ли вы записывающий прибор (такой как камера или сканер), воспроизводящий (такой как отпечаток или дисплей компьютера) или собственно предмет.
Как и при управлении цветом, каждое устройство в приведенной выше цепи передачи изображения имеет свой собственный динамический диапазон. В отпечатках и дисплеях ничто не может стать ярче, чем белизна бумаги или максимальная интенсивность пикселя, соответственно. По сути, ещё один прибор, который не был упомянут выше, это наши глаза, у которых тоже есть свой собственный динамический диапазон. Передача информации из изображения между устройствами таким образом может повлиять на его воспроизведение.
Следовательно, концепция динамического диапазона полезна для относительного сравнения исходной сцены, вашей камеры и изображения на вашем экране или на отпечатке.
Влияние света: освещённость и отражение
Интенсивность освещения может быть описана в терминах падающего и отражённого света; каждый из них вносит свою лепту в динамический диапазон сцены (см. статью «Как цифровые камеры замеряют экспозицию»).
| Сильное отражение | Неравномерно падающий свет |
Сцены с высокими вариациями яркостей отражённого света, например, содержащие чёрные объекты вдобавок к сильным отражениям, могут в действительности иметь более широкий динамический диапазон, чем сцены с большой вариативностью падающего света. В любом из этих случаев фотографии могут запросто превысить динамический диапазон вашей камеры, особенно если не следить за экспозицией.
Точное измерение интенсивности света, или освещённости, следовательно, является критическим для оценки динамического диапазона.
Здесь мы видим, что возможны большие вариации в падающем свете, поскольку вышеприведенная диаграмма отградуирована в степенях десяти. Если сцена неравномерно освещена как прямым, так и рассеянным солнечным светом, одно это может невероятно расширить динамический диапазон сцены (как видно из примера с закатом в каньоне с частично освещённой скалой).
Цифровые камеры
Несмотря на то, что физический смысл динамического диапазона в реальном мире — это всего лишь соотношение между наиболее и наименее освещёнными участками (контраст), его определение становится более сложным при описании измерительных приборов, таких как цифровые камеры и сканеры. Вспомним из статьи о сенсорах цифровых камер, что свет сохраняется каждым пикселем в своего рода термосе.
| Уровень чёрного (ограничен шумом) | Уровень белого (полный термос) | Меньший уровень белого (термос малого объёма) |
Фотопиксели удерживают фотоны, как термосы сохраняют воду. Следовательно, если термос переполняется, вода выливается наружу. Переполненный фотопиксель называют насыщенным, и он неспособен распознать дальнейшее поступление фотонов — тем самым определяя уровень белого камеры. Для идеальной камеры её контраст в таком случае определялся бы числом фотонов, которое может быть накоплено каждым из фотопикселей, поделенным на минимальную измеримую интенсивность света (один фотон). Если в пикселе может сохраниться 1000 фотонов, контрастность будет 1000:1. Поскольку ячейка большего размера может накопить больше фотонов, 
Примечание: в некоторых цифровых камерах существует дополнительная настройка низкого ISO, которая снижает шум, но также и сужает динамический диапазон. Это происходит потому, что такая настройка в действительности переэкспонирует изображения на одну ступень и впоследствии обрезает яркости — увеличивая таким способом светосигнал. Примером могут служить многие камеры Canon, которые имеют возможность снимать в ISO 50 (ниже обычного ISO 100).
В действительности потребительские камеры не могут подсчитать фотоны. Динамический диапазон ограничен наиболее тёмным тоном, для которого более невозможно различить текстуру — его называют уровнем чёрного. Уровень чёрного ограничен тем, насколько точно можно измерить сигнал в каждом фотопикселе и, следовательно, ограничен снизу уровнем шума. В результате динамический диапазон как правило увеличивается при снижении числа ISO, а также у камер с меньшей погрешностью измерения.
Примечание: даже если бы фотопиксель мог подсчитать отдельные фотоны, подсчёт тем не менее был бы ограничен фотонным шумом.
Фотонный шум создаётся статистическими колебаниями и представляет теоретический минимум шума. Итоговый шум является суммой фотонного шума и погрешности считывания.
В целом, динамический диапазон цифровой камеры таким образом может быть описан как соотношение между максимальной (при насыщении пикселя) и минимальной (на уровне погрешности считывания) измеримой интенсивностью света.
Сканеры
Сканеры оцениваются по тому же соотношению насыщенности и шума, как и динамический диапазон цифровых камер, за исключением того, что они описываются в терминах плотности (D). Это удобно, поскольку концептуально аналогично тому, как пигменты создают цвет на отпечатке, как показано ниже.
| Слабое отражение (высокая плотность) | Сильное отражение (низкая плотность) | Высокая плотность пигмента (тёмный тон) | Низкая плотность пигмента (светлый тон) |
Общий динамический диапазон в терминах плотности таким образом выглядит как разница между максимальной (Dmax) и минимальной (Dmin) плотностями пигмента. В отличие от степеней 2 для f-ступеней, плотность измеряется в степенях 10 (так же, как и шкала Рихтера для землетрясений). Таким образом, плотность 3.0 представляет контраст 1000:1 (поскольку 103.0 = 1000).
| Исходный динамический диапазон | |
|---|---|
| Динамический диапазон сканера |
Вместо указания диапазона плотности производители сканеров обычно указывают только значение Dmax, поскольку D
Это потому, что в отличие от цифровых камер, сканер контролирует свой источник света, гарантируя минимальную засветку.
Для высокой плотности пигмента к сканерам применимы те же ограничения по шуму, что и для цифровых камер (поскольку оба они используют массив фотопикселей для измерения). Таким образом, измеримая Dmax тоже определяется шумом, присутствующим в процессе считывания светосигнала.
Сравнение
Динамический диапазон варьируется настолько широко, что его часто измеряют логарифмической шкалой, аналогично тому как крайне различные интенсивности землетрясений измеряются одной шкалой Рихтера. Здесь приведен максимальный измеримый (или воспроизводимый) динамический диапазон для различных устройств в любых предпочитаемых единицах (f-ступени, плотность и соотношение контраста). Наведите курсор на каждый из вариантов, чтобы их сравнить.
| Выберите единицу измерения: | ||
|---|---|---|
| f-ступени | плотность | контрастность |
| Выберите тип диапазона: | |||
|---|---|---|---|
| Печать | Сканеры | Цифровые камеры | Мониторы |
Обратите внимание на огромную разницу между воспроизводимым динамическим диапазоном печати и измеримым сканерами и цифровыми камерами.
Сравнивая с реальным миром, это разница между примерно тремя f-ступенями в облачный день с практически ровным отражённым светом и 12 и более f-ступенями в солнечный день с высококонтрастным отражённым светом.
Использовать вышеуказанные цифры следует с осторожностью: в действительности динамический диапазон отпечатков и мониторов сильно зависит от условий освещения. Отпечатки при неверном освещении могут не показать свой полный динамический диапазон, тогда как мониторы требуют практически полной темноты, чтобы реализовать свой потенциал — особенно плазменные экраны. Наконец, все эти цифры являются всего лишь грубыми приближениями; реальные значения будут зависеть от наработки прибора или возраста отпечатка, поколения модели, ценового диапазона и т.д.
Учтите, что контрастность мониторов зачастую сильно завышена, поскольку для них не существует стандарта производителя. Контрастность свыше 500:1 зачастую является результатом очень тёмной чёрной точки, а не более яркой белой.
В связи с этим нужно уделять внимание как контрастности, так и яркости. Высокая контрастность без сопутствующей высокой яркости может быть полностью сведена на нет даже рассеянным светом от свечи.
Человеческий глаз
Человеческий глаз может в действительности воспринимать более широкий динамический диапазон, чем это обычно возможно для камеры. Если учитывать ситуации, в которых наш зрачок расширяется и сужается, адаптируясь к изменению света, наши глаза способны видеть в диапазоне величиной почти 24 f-ступеней.
С другой стороны, для корректного сравнения с одним снимком (при постоянной диафрагме, выдержке и ISO) мы можем рассматривать только мгновенный динамический диапазон (при неизменной ширине зрачка). Для полной аналогии нужно смотреть в одну точку сцены, дать глазам адаптироваться и не смотреть при этом ни на что другое. В этом случае существует большая несогласованность, поскольку чувствительность и динамический диапазон наших глаз меняется в зависимости от яркости и контраста.
Проблема этих чисел в том, что наши глаза исключительно адаптивны. Для ситуаций исключительно неяркого звёздного света (когда наши глаза используют палочки для ночного видения) они достигают даже более широких мгновенных динамических диапазонов (см. «Цветовое восприятие человеческого глаза»).
Глубина цветности и измерение динамического диапазона
Даже если бы чья-то камера могла охватить большую часть динамического диапазона, точность, с которой измерения света преобразуются в цифры, может ограничить применимый динамический диапазон. Рабочая лошадка, которая занимается преобразованием непрерывных результатов измерений в дискретные числовые значения, называется аналогово-цифровым преобразователем (АЦП). Точность АЦП может быть описана в терминах разрядности, аналогично разрядности цифровых изображений, хотя следует помнить о том, что эти концепции неявляются взаимозаменяемыми. АЦП создаёт значения, которые хранятся в файле формата RAW.
| Разрядность АЦП | Контрастность | Динамический диапазон | |
|---|---|---|---|
| f-ступени | плотность | ||
| 8 | 256:1 | 8 | 2.4 |
| 10 | 1024:1 | 10 | 3.0 |
| 12 | 4096:1 | 12 | 3.6 |
| 14 | 16384:1 | 14 | 4.2 |
| 16 | 65536:1 | 16 | 4.8 |
Примечание: вышеприведенные значения отражают только точность АЦП и не должны
использоваться для интерпретации результатов для 8 и 16-битных файлов изображений.
Далее, для всех значений показан теоретический максимум, как если бы шум отсутствовал.
Наконец, эти цифры справедливы только для линейных АЦП, а разрядность
нелинейных АЦП необязательно коррелирует с динамическим диапазоном.
В качестве примера, 10 бит глубины цветности преобразуются в диапазон возможных яркостей 0-1023 (поскольку 210 = 1024 уровня).
Предполагая, что каждое значение на выходе АЦП пропорционально актуальной яркости изображения (то есть, удвоение значения пикселя означает удвоение яркости), 10-битная разрядность может обеспечить контрастность не более 1024:1.
Большинство цифровых камер используют АЦП с разрядностью от 10 до 14 бит, так что их теоретически достижимый максимальный динамический диапазон составляет 10-14 ступеней. Однако такая высокая разрядность всего лишь помогает минимизировать постеризацию изображения, поскольку общий динамический диапазон обычно ограничен уровнем шума. Подобно тому, как большая разрядность изображения необязательно подразумевает большую глубину его цветности, наличие в цифровой камере высокоточного АЦП необязательно означает, что она в состоянии записать широкий динамический диапазон. На практике динамический диапазон цифровой камеры даже не приближается к теоретическому максимуму АЦП; в основном 5-9 ступеней — это всё, чего можно ожидать от камеры.
Влияние типа изображения и кривая цветности
Могут ли файлы цифровых изображений в действительности записать полный динамический диапазон высококлассных приборов? В интернете наблюдается большое непонимание взаимосвязи разрядности изображения с записываемым динамическим диапазоном.
Для начала следует разобраться, говорим мы о записываемом или отображаемом динамическом диапазоне. Даже обыкновенный 8-битный файл формата JPEG может предположительно записать бесконечный динамический диапазон — предполагая, что во время преобразования из формата RAW была применена кривая цветности (см. статью о применении кривых и динамическом диапазоне), и АЦП имеет требуемую разрядность. Проблема кроется в использовании динамического диапазона; если слишком малое число бит распространить на слишком большой диапазон цвета, это может привести к постеризации изображения.
С другой стороны, отображаемый динамический диапазон зависит от коррекции гаммы или кривой цветности, подразумеваемой файлом изображения или используемой видеокартой и монитором. Используя гамму 2.2 (стандарт для персональных компьютеров), было бы теоретически возможно передать динамический диапазон из практически 18 f-ступеней (об этом расскажет глава о коррекции гаммы, когда будет написана). И даже в этом случае он мог бы пострадать от сильной постеризации.
Единственным на сегодня стандартным решением для получения практически бесконечного динамического диапазона (без видимой постеризации) является использование файлов расширенного динамического диапазона (HDR) в Photoshop (или другой программе, например, с поддержкой формата OpenEXR).
Что такое динамический диапазон? Теория и практика — Сайт профессионального фотографа в Киеве
Многие слышали о таком понятии, как динамический диапазон. В фотографии и видеосъёмке это — возможность камеры одновременно отобразить на одном кадре как светлые, так и темные детали сцены. Ширина спектра оттенков от полностью чёрного до полностью белого и называется динамическим диапазоном.
Наши глаза способны улавливать гораздо больше перепадов освещённости, чем современные камеры. Задача камер же состоит в том, чтобы максимально приблизиться к тому, что мы видим. На фото ниже показано, как выглядит один и тот же кадр с низким динамическим диапазоном (мало информации в тенях и светах) и с высоким (хорошая проработка теневых и светлых зон).
От чего зависит динамический диапазон?
Есть два основных фактора — программный и аппаратный.
Один из главных программных методов заключается в склейке нескольких кадров для получения максимального количества информации в одной итоговой фотографии. Такой метод называется HDR-фотография. Сейчас он активно применяется в телефонах. Кстати, мы можем посмотреть, как отличается фото с HDR на телефоне и 1 фотография без склеек, обработанная из raw файла с камеры Fujifilm X-T3 + объектив 12mm.
Если клеить несколько фото в ручном режиме, то это делается за счёт брекетинга по экспозиции. То есть, вы делаете серию кадров с различной степенью освещённости, чтобы запечатлеть как тёмные участки снимаемой сцены, так и светлые. Подробно об этом я рассказал в этом видео:
Но это мы говорили о программном расширении динамического диапазона.
С аппаратной точки зрения важен размер и тип матрицы вашей камеры. Если у современных телефонов отнять программные улучшения, то вы получите очень грустную картинку. Фотоаппараты с большими матрицами же способны выдавать широкий динамический диапазон и без склейки кадров.
Ширина динамического диапазона в фотоаппаратах зависит от следующих факторов:
- тип матрицы
- размер матрицы
Важен тип матрицы. Например, кроп-камеры Fujifilm с BSI матрицей (обратная засветка) дают бОльший динамический диапазон по сравнению с камерами с обычными CMOS сенсорами. Убедиться в этом можно, посмотрев графики на этом сайте.
Но, в любом случае, на первом месте стоит размер сенсора. Полный кадр всегда будет иметь преимущество перед кропом. А средний формат перед полным кадром.
Микра 4/3 ощутимо уступает в динамическом диапазоне кроп-камерам. С полным кадром её даже не надо сравнивать. APS-C камеры ощутимо лучше передают световые оттенки относительно микры 4/3.
Сравнение микры и кропа тут. Я тут говорю о фотографии, с видео похоже, но есть нюансы.
Также имейте в виду, что кадры снятые на высоких ISO, будут иметь значительно более низкий ДД по сравнению с базовыми значениями. По этой причине, серьёзный фотограф должен полагаться только на штатив, а не на разрекламированную сегодня матричную стабилизацию.
Но это в теории…а на практике?
Где реализуются возможности камер в плане динамического диапазона? В первую очередь, это — пейзажная, архитектурная и интерьерная фотография. Также хороший динамический диапазон оказывается очень кстати при съёмки свадебных прогулок. Обычно они проходят при сложном жёстком освещении и задача фотографа их правильно отснять и грамотно обработать, в чём помогают хорошие raw-файлы.
Следующий вопрос, насколько важны отличия между камерами в реальных условиях? На практике оказывается, что не стоит гнаться за самой самой технически совершенной камерой.
Ведь тот же самый эффект, а то и даже лучший можно получить за счёт прямых рук. То есть, если например, вам нужно снимать интерьер или пейзаж, — пользуйтесь мультиэкспозицией и HDR. Склеенные 3 кадра с «плохой» камеры дадут ощутимо больший эффект, чем 1 кадр с крутой и навороченной.
Ниже приведён практический пример динамического диапазона на Fujifilm X-T3. Сверху исходник, снизу вытянутый raw-файл (без HDR).
Конечно, желательно всё-таки апгрейдить время от времени фото-технику. Совсем старые камеры или устаревшие кропы не дадут оптимального эффекта даже с 3 кадров. В таких случаях вы сможете получить хороший диапазон, если склеите кадров 6. Но это более затратно по времени и может вызвать проблемы при склейке, если в кадре будут движущиеся объекты. Ну, а в случае со съёмкой репортажа, вам вообще не до склейки и некоторый запас по ДД всегда приятен. По практическому опыту, могу сказать, что таких камер как Canon 5D Mark III/IV, Canon R с головой хватает для репортажной работы.
То, что Никоны способны на большее, — очень хорошо. И эти камеры также достойны внимания, как и новинки от Panasonic. Но вот Sony я никому не могу рекомендовать, несмотря на преимущества в теоретических параметрах.
Также читайте:
- что такое грип и глубина резкости?
- что такое f-stop и t-stop?
- про эквивалентную диафрагму или микра 4/3 для слепых
Понимание динамического диапазона в цифровой фотографии
Динамический диапазон в фотографии описывает соотношение между максимальной и минимальной измеряемой интенсивностью света (белого и черного соответственно). В реальном мире никогда не бывает настоящего белого или черного — только разные степени интенсивности источника света и отражательной способности объекта. Поэтому концепция динамического диапазона становится более сложной и зависит от того, описываете ли вы устройство захвата (например, камеру или сканер), устройство отображения (например, принтер или компьютерный дисплей) или сам объект.
Как и в случае с управлением цветом, каждое устройство в указанной выше цепочке обработки изображений имеет собственный динамический диапазон. На распечатках и компьютерных дисплеях ничто не может стать ярче бумажного белого или максимальной яркости пикселя соответственно. На самом деле еще одно устройство, не показанное выше, — это наши глаза, у которых тоже есть свой динамический диапазон. Таким образом, перевод информации об изображении между устройствами может повлиять на то, как это изображение воспроизводится. Таким образом, концепция динамического диапазона полезна для относительных сравнений между реальной сценой, вашей камерой и изображением на экране или в окончательном отпечатке.
ВЛИЯНИЕ СВЕТА: ОСВЕЩЕНИЕ И ОТРАЖАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ
Интенсивность света можно описать в терминах падающего и отраженного света; оба вносят свой вклад в динамический диапазон сцены (см. Учебник по «замеру камеры и экспозиции»).
Сцены с высокой вариацией отражательной способности, например, содержащие черные объекты в дополнение к сильным отражениям, могут фактически иметь больший динамический диапазон, чем сцены с большими вариациями падающего света.
Фотография в любом случае может легко превысить динамический диапазон вашей камеры, особенно если экспозиция не соответствует действительности.
Поэтому точное измерение интенсивности света или яркости имеет решающее значение при оценке динамического диапазона. Здесь мы используем термин освещенность для обозначения только падающего света. И освещенность, и яркость обычно измеряются в канделах на квадратный метр (кд/м 2 ). Приблизительные значения для часто встречающихся источников света показаны ниже.
Здесь мы видим огромное разнообразие, возможное для падающего света, поскольку приведенная выше диаграмма масштабирована до десятичной степени. Если сцена была неравномерно освещена как прямым, так и закрытым солнечным светом, одно это может значительно увеличить динамический диапазон сцены (как видно из примера заката в каньоне с частично освещенной скалой).
ЦИФРОВЫЕ КАМЕРЫ
Хотя смысл динамического диапазона для реальной сцены — это просто соотношение между самыми светлыми и самыми темными областями (коэффициент контрастности), его определение становится более сложным при описании измерительных устройств, таких как цифровые камеры и сканеры.
Напомним из руководства по датчикам цифровых камер, что свет измеряется в каждом пикселе в полости или лунке (фотосайте). Размер каждого фотосайта, в дополнение к тому, как измеряется его содержимое, определяют динамический диапазон цифровой камеры.
Уровень черного
(Ограничено шумом)
Уровень белого
(насыщенный фотосайт)
Darker White Level
(Фотосайт с малой емкостью)
Фотосайты можно рассматривать как ведра, содержащие фотоны, как если бы они были водой. Поэтому, если ведро станет слишком полным, оно переполнится. Говорят, что фотосайт, который переполняется, стал насыщенным и поэтому не может различать дополнительные входящие фотоны, тем самым определяя уровень белого камеры. Таким образом, для идеальной камеры коэффициент контрастности будет равен количеству фотонов, которые она может содержать в каждом фотосайте, деленному на самую темную измеримую интенсивность света (один фотон).
Если бы каждый содержал 1000 фотонов, то коэффициент контрастности был бы 1000:1. Поскольку более крупные фотосайты могут содержать большее количество фотонов, 9Динамический диапазон 0032 обычно выше у цифровых зеркальных камер по сравнению с компактными камерами (из-за большего размера пикселя).
Техническое примечание : В некоторых цифровых камерах есть расширенная настройка низкого значения ISO, которая производит меньше шума, но также уменьшает динамический диапазон. Это связано с тем, что действующая настройка переэкспонирует изображение на полную диафрагму, но затем обрезает светлые участки, тем самым увеличивая световой сигнал. Примером этого являются многие камеры Canon, у которых чувствительность ISO-50 ниже обычной ISO-100.
На самом деле потребительские камеры не могут считать отдельные фотоны. Таким образом, динамический диапазон ограничен самым темным тоном, в котором текстура больше не различима; мы называем это уровнем черного.
Уровень черного ограничен тем, насколько точно может быть измерен каждый фотосайт, и, следовательно, в темноте ограничен шумом изображения. Таким образом, динамический диапазон обычно увеличивается для более низких значений чувствительности ISO и камер с меньшим шумом измерения .
Техническое примечание : Даже если бы фотосайт мог считать отдельные фотоны, он все равно был бы ограничен фотонным шумом. Фотонный шум создается статистическим изменением прихода фотонов и, следовательно, представляет собой теоретический минимум шума. Общий шум представляет собой сумму фотонного шума и шума считывания.
Таким образом, в целом динамический диапазон цифровой камеры можно описать как отношение максимальной измеримой интенсивности света (при насыщении пикселей) к минимальной измеримой интенсивности света (выше шума считывания). Наиболее часто используемой единицей измерения динамического диапазона в цифровых камерах является f-stop, который описывает полный диапазон освещенности в степени двойки.
Таким образом, контрастность 1024:1 также может быть описана как имеющая динамический диапазон 10 f-. остановок (т.к. 2 10 = 1024). В зависимости от приложения каждую единицу диафрагмы можно также описать как «зону» или «эВ».
СКАНЕРЫ
Сканеры подчиняются тому же критерию насыщения:шум, что и динамический диапазон цифровых камер, за исключением того, что он описывается с точки зрения плотности (D). Это полезно, потому что концептуально похоже на то, как пигменты создают тона в печатных материалах, как показано ниже.
| Низкий коэффициент отражения (Высокая плотность) | Высокая отражательная способность (низкая плотность) | Высокая плотность пигмента (более темный тон) | Низкая плотность пигмента (более светлый тон) |
Таким образом, общий динамический диапазон с точки зрения плотности представляет собой максимальную плотность пигмента (D макс ) минус минимальную плотность пигмента (D мин ).
В отличие от степени 2 для диафрагмы, плотность измеряется с использованием степени 10 (так же, как шкала Рихтера для землетрясений). Таким образом, плотность 3,0 представляет коэффициент контрастности 1000:1 (поскольку 10 3,0 = 1000).
| Динамический диапазон оригинала | |
|---|---|
| Динамический диапазон сканера |
Вместо указания общей плотности (D) производители сканеров обычно указывают только значение D max , поскольку D max — D min приблизительно равно D max . Это связано с тем, что, в отличие от цифровых камер, сканер полностью контролирует источник света, гарантируя минимальное насыщение фотосайта.
Для высокой плотности пигмента к сканерам применяются те же ограничения по шуму, что и к цифровым камерам (поскольку они оба используют массив фотосайтов для измерения). Поэтому измеряемое значение D max также определяется шумом, присутствующим при считывании светового сигнала.
СРАВНЕНИЕ
Динамический диапазон варьируется настолько сильно, что его обычно измеряют в логарифмической шкале, подобно тому, как сильно различающиеся силы землетрясений измеряются по одной и той же шкале Рихтера. Здесь мы показываем максимальный измеримый (или воспроизводимый) динамический диапазон для нескольких устройств с точки зрения любой предпочтительной меры (диафрагменное число, плотность и коэффициент контрастности). Наведите указатель мыши на каждый из вариантов ниже, чтобы сравнить их.
| Выберите показатель для динамического диапазона: | ||
|---|---|---|
| диафрагмы | Плотность | Коэффициент контрастности |
| Выберите типы для отображения выше: | |||
|---|---|---|---|
| Печатные СМИ | Сканеры | Цифровые фотоаппараты | Устройства отображения |
Обратите внимание на огромное расхождение между воспроизводимым динамическим диапазоном отпечатков и диапазоном, измеряемым сканерами и цифровыми камерами.
Для сравнения с реальным динамическим диапазоном в сцене они варьируются от примерно 3 ступеней диафрагмы для облачного дня с почти равномерной отражательной способностью до 12+ ступеней диафрагмы для солнечного дня с очень неравномерной отражательной способностью.
Следует соблюдать осторожность при интерпретации приведенных выше чисел; реальный динамический диапазон сильно зависит от окружающего освещения для отпечатков и устройств отображения. Отпечатки, не просматриваемые при достаточном освещении, могут не отражать весь динамический диапазон, в то время как устройствам отображения требуется почти полная темнота, чтобы полностью раскрыть их потенциал, особенно для плазменных дисплеев. Наконец, эти значения являются лишь грубыми приближениями; фактические значения зависят от возраста устройства, поколения модели, ценового диапазона и т. д.
Имейте в виду, что коэффициенты контрастности для устройств отображения часто сильно преувеличены , поскольку для их перечисления не существует стандарта производителя.
Коэффициенты контрастности, превышающие 500:1, часто являются результатом очень темной черной точки, а не более яркой белой точки. По этой причине следует обращать внимание как на коэффициент контрастности, так и на яркость. Высокие коэффициенты контрастности (без соответствующей более высокой яркости) могут быть полностью сведены на нет даже окружающим светом свечи.
ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ГЛАЗ
Человеческий глаз на самом деле может воспринимать более широкий динамический диапазон, чем это обычно возможно с камерой. Если бы мы рассмотрели ситуации, когда наш зрачок открывается и закрывается при разном освещении, наши глаза могли бы видеть в диапазоне почти 24 ступеней диафрагмы.
С другой стороны, для точного сравнения с одной фотографией (при постоянной диафрагме, выдержке и ISO) мы можем учитывать только мгновенный динамический диапазон (где раскрытие нашего зрачка не изменилось). Это было бы похоже на то, если бы мы смотрели на одну область в сцене, позволяя нашим глазам адаптироваться и не глядя ни на что другое.
В этом сценарии есть много разногласий, потому что чувствительность и динамический диапазон нашего глаза на самом деле изменяются в зависимости от яркости и контраста. Большинство оценок где-то от 10-14 ступеней диафрагмы.
Проблема с этими цифрами в том, что наши глаза чрезвычайно адаптируются. В ситуациях наблюдения за звездами при экстремально слабом освещении (когда наши глаза приспособились к использованию палочек для ночного видения) наши глаза приближаются к еще более высоким мгновенным динамическим диапазонам (см. руководство «Восприятие цвета человеческим глазом»).
ГЛУБИНА И ИЗМЕРЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА
Даже если цифровая камера может захватить широкий динамический диапазон, точность, с которой измерения освещенности преобразуются в цифровые значения, может ограничить используемый динамический диапазон. Рабочая лошадка, которая переводит эти непрерывные измерения в дискретные числовые значения, называется аналого-цифровым преобразователем (A/D).
Точность аналого-цифрового преобразователя можно описать с точки зрения точности в битах, аналогичной битовой глубине цифровых изображений, хотя следует соблюдать осторожность, чтобы эти понятия не использовались взаимозаменяемо. Аналого-цифровой преобразователь — это то, что создает значения для формата файла RAW цифровой камеры.
| Битовая точность аналого-цифрового преобразователя | Коэффициент контрастности | Динамический диапазон | |
|---|---|---|---|
| диафрагмы | Плотность | ||
| 8 | 256:1 | 8 | 2,4 |
| 10 | 1024:1 | 10 | 3,0 |
| 12 | 4096:1 | 12 | 3,6 |
| 14 | 16384:1 | 14 | 4,2 |
| 16 | 65536:1 | 16 | 4,8 |
Примечание.
Приведенные выше значения относятся только к точности аналого-цифрового преобразователя и не должны использоваться для интерпретации результатов для 8- и 16-битных файлов изображений. Кроме того, указанные значения являются теоретическим максимумом, при условии, что шум не является ограничивающим фактором, и это относится только к линейным аналого-цифровым преобразователям.
Например, 10-битная тональная точность соответствует возможному диапазону яркости от 0 до 1023 (поскольку 2 10 = 1024 уровня). Предполагая, что каждый номер аналого-цифрового преобразователя пропорционален фактической яркости изображения (что означает, что удвоенное значение пикселя соответствует удвоенной яркости), 10-битная точность может кодировать только коэффициент контрастности 1024:1.
В большинстве цифровых камер используется аналого-цифровой преобразователь с разрядностью от 10 до 14 бит, поэтому их теоретический максимальный динамический диапазон составляет 10–14 ступеней.
Однако такая высокая битовая глубина только помогает свести к минимуму постеризацию изображения, поскольку общий динамический диапазон обычно ограничивается уровнем шума. Подобно тому, как изображение с высокой битовой глубиной не обязательно означает, что изображение содержит больше цветов, если цифровая камера имеет высокоточный аналого-цифровой преобразователь, это не обязательно означает, что она может записывать более широкий динамический диапазон. По сути, динамический диапазон можно рассматривать как высоту лестницы, а битовую глубину можно рассматривать как количество ступеней. На практике динамический диапазон цифровой камеры даже не приближается к теоретическому максимуму аналого-цифрового преобразователя ; 8-12 стопов — это вообще все, что можно ожидать от камеры.
ВЛИЯНИЕ ТИПА ИЗОБРАЖЕНИЯ И ТОНАЛЬНОЙ КРИВОЙ
Могут ли файлы цифровых изображений действительно записывать полный динамический диапазон высокотехнологичных устройств? Кажется, в Интернете много путаницы по поводу отношения битовой глубины изображения к записываемому динамическому диапазону.
Сначала нам нужно различать, говорим ли мы о записываемом динамическом диапазоне или отображаемом динамическом диапазоне. Даже обычный 8-битный файл изображения JPEG может предположительно записывать бесконечный динамический диапазон — при условии, что во время преобразования RAW применяется правильная тональная кривая (см. руководство по кривым в разделе мотивация: динамический диапазон) и что аналого-цифровой преобразователь имеет необходимая битовая точность. Проблема заключается в удобстве использования этого динамического диапазона; если слишком мало битов распределено по слишком большому тональному диапазону, это может привести к постеризации изображения.
С другой стороны, отображаемый динамический диапазон зависит от гамма-коррекции или тональной кривой, подразумеваемой файлом изображения или используемой видеокартой и устройством отображения. Используя гамму 2,2 (стандарт для ПК), теоретически возможно закодировать динамический диапазон почти в 18 ступеней диафрагмы (см.
руководство по гамма-коррекции, которое будет добавлено). Опять же, это будет страдать от сильной постеризации. Единственным современным стандартным решением для кодирования почти бесконечного динамического диапазона (без видимой постеризации) является использование файлов изображений с высоким динамическим диапазоном (HDR) в Photoshop (или другой поддерживающей программе).
Хотите узнать больше? Обсудите эту и другие статьи на наших форумах цифровой фотографии.
Руководство для начинающих по динамическому диапазону в фотографии
Вы, наверное, слышали, что термин «динамический диапазон» (DR) часто используется в статьях о фотографии и обзорах камер, но что это такое и как он связан с вашей фотографией и камерой навыки и умения?
Когда я только начал заниматься фотографией, концепция динамического диапазона надолго сбила меня с толку, и я был слишком смущен, чтобы просить о помощи или признаться, что не знаю.
Вот почему мы создали это руководство для начинающих — вскоре вы поймете ключевые моменты динамического диапазона и будете уверены, что сможете использовать его в своих интересах для создания потрясающих изображений в 2022 году.
Мы также включили 6 полезных советов. чтобы помочь вам максимизировать динамический диапазон вашей текущей камеры.
Начинаем!
Содержание
Что такое динамический диапазон в фотографии?
В двух словах, динамический диапазон — это разница между самыми светлыми и самыми темными тонами на фотографии — от чистого белого до чистого черного.
DR необходим, так как каждая камера имеет датчик, который записывает информацию об изображении в тонах или оттенках серого. Некоторые датчики могут видеть только детали от темно-серых до светло-серых тонов, но не совсем чисто белый и черный.
Что еще более важно, динамический диапазон камеры относится к тому, сколько приращений датчик изображения может обнаружить между чистым черным и белым, плюс тона между ними.
Эти приращения известны как стопы, f-ступени, стопы света или EV (значение экспозиции) — давайте обозначим их как останавливает с этого момента для простоты.
Стопы — это единица измерения, используемая в фотографии для считывания и управления количеством света, которое может видеть камера.
Если каждое приращение динамического диапазона является одной остановкой, то количество приращений, которое может считывать камера, определяет, сколько ступеней динамического диапазона она может зафиксировать.
Имейте в виду, что способность датчика камеры обнаруживать более широкий динамический диапазон зависит от качества датчика изображения.
Каковы размеры сенсора камеры? Ознакомьтесь с нашим руководством, чтобы узнать о них все.
Как мы видим динамический диапазонКогда вы видите рекламу камеры, обычно говорят, сколько ступеней динамического диапазона у камеры. Но это нужно немного расширить за пределы коммерческого предложения.
В среднем, высококачественная цифровая камера захватывает от 12 до 15 ступеней динамического диапазона при базовом уровне ISO, который обычно составляет около 100.
Однако для измерения емкости должны существовать идеальные условия освещения — никаких темных теней и светлых участков. .
Если условия освещения увеличиваются или уменьшаются, способность камеры считывать 15 ступеней динамического диапазона уменьшается.
Более того, если вы увеличите значение ISO камеры, динамический диапазон значительно снизится — об этом позже.
В то время как высококачественные цифровые камеры могут видеть до 15 ступеней динамического диапазона, человеческий глаз может видеть почти 20 ступеней. Но, как и в случае с камерами, это при идеальных условиях освещения.
Подумайте о ситуациях, когда вы входите в темную комнату. Вашим глазам требуется некоторое время, чтобы привыкнуть, прежде чем вы сможете разглядеть детали. Ваши глаза адаптируются к изменившимся условиям, чтобы различать детали в темноте — ваши глаза работают с более низким динамическим диапазоном.
Включите свет, и ваш динамический диапазон значительно увеличится с увеличением яркости сцены.
Сенсор с большим динамическим диапазоном позволит фотографу «убрать» потерянные детали в светлых участках неба с помощью программного обеспечения для редактирования.
Представьте себе сцену в яркий солнечный день, когда вы можете разглядеть детали в облаках и пейзаже. Это выглядит великолепно, и вы поднимаете камеру, чтобы запечатлеть красивую сцену.
Но когда вы смотрите на свою фотографию, большая часть пейзажа хорошо освещена, но некоторые тени потеряли детализацию, а небо чисто белое. Это потому, что наши глаза имеют больший динамический диапазон, чем камеры.
Другими словами, наши глаза могут различать уровень детализации в тенях и светах лучше, чем наши камеры.
Непрекращающееся стремление компаний, производящих камеры, состоит в том, чтобы преодолеть разрыв в динамическом диапазоне, видимом нашими глазами и их камерами. Тот, кто взломает этот код, получит приз!
Вот почему в фотографии так важен динамический диапазон, чтобы камеры могли снимать так, как видит человеческий глаз.
Кроме того, чем больше деталей извлечено из теней и светов, тем лучше будет результат.
Как измеряется динамический диапазон?В некоторых кругах измерения динамического диапазона включают ужасно сложную и заведомо скучную математику.
Проще говоря, DR в фотографии — это соотношение между самым светлым элементом и самым темным, также известное как коэффициент контрастности.
Измеряется стопами (f-ступени, стопы света, EV), стоп относится к одной единице света. Каждая ступень вверх или вниз в динамическом диапазоне удваивает или уменьшает вдвое количество света, необходимое для достижения правильной экспозиции.
Имеют ли значение мегапиксели?Несомненно, вы слышали «разговоры о камерах», в которых обсуждалось количество мегапикселей в камере. Это светочувствительные рецепторы, которые покрывают датчик камеры.
Мегапиксель (МП) равен одному миллиону пикселей и указывает количество и качество деталей, которые может зафиксировать камера.
Традиционно, чем больше мегапикселей, тем лучше качество изображения.
Например, типичная беззеркальная камера Fujifilm серии X имеет 26-мегапиксельный сенсор — 26 миллионов пикселей. Однако Fujifilm GFX100S, более крупная камера среднего формата с большим сенсором, имеет разрешение 102 мегапикселя — 102 миллиона пикселей.
Камеры с большим числом мегапикселей, как правило, имеют больший динамический диапазон, но не всегда.
Помимо размера сенсора камеры и количества мегапикселей, качество отдельных пикселей также имеет решающее значение для DR. Важнее всего размер отдельного пикселя и способность обнаруживать свет.
Чем меньше пикселей большего размера, тем лучше для динамического диапазона, чем больше пикселей меньшего размера.
Как увеличить динамический диапазон вашей камеры
Помните пример, о котором мы говорили ранее, когда ваш глаз видел больше пейзажа, чем камера? Что, если я скажу вам, что несколько хаков могут помочь вам преодолеть разрыв?
Существует несколько способов улучшить и максимально увеличить динамический диапазон вашей камеры. Более того, вы можете сделать это, находясь в полевых условиях с камерой в руке, или позже в приложениях для редактирования.
Давайте рассмотрим наиболее распространенные способы улучшения DR на ваших фотографиях и повышения качества съемки.
Используйте градуированные фильтры нейтральной плотностиАвторы и права: Крис Янг
Пейзажная фотография — это жанр, который имеет много проблем с оптимизацией динамического диапазона с помощью современных сенсорных технологий.
Пейзажная композиция делится примерно на половину кадра, заполненную ярким небом, и на другую половину более темной землей и тенями.
Как мы уже говорили ранее, цифровым телам трудно достичь подходящего баланса, когда небо и земля экспонируются правильно.
Самый простой способ справиться с этим — использовать градиентный фильтр нейтральной плотности.
Фильтры GND доступны в различных размерах, чтобы соответствовать большинству стандартных диаметров линз.
Они привинчиваются к передней части объектива и, в зависимости от их уровня «плотности», уменьшают количество света на несколько стопов.
Фильтры Grad ND имеют плотность, применяемую к одной половине фильтра, которая переходит в прозрачную часть в другой половине.
Вы обрамляете свою композицию более темной половиной фильтра, покрывающего небо. Экспонируя свой снимок земли, вы гарантируете, что вся фотография будет экспонирована правильно.
Небо покажет свой реальный цвет, и вы получите более четкое изображение облаков — без нежелательных бликов.
Здесь вы можете узнать больше о фильтрах для объективов и выяснить, сколько ступеней нейтрального фильтра вам следует купить.
Понимание гистограммыБольшинство цифровых камер имеют гистограмму, которая отображается на экране — это графическое представление плотности пикселей сцены.
Знакомство с гистограммой — отличный способ понять и управлять динамическим диапазоном.
Гистограмма показывает большую плотность слева от графика, если ваша фотография слишком темная. Он также покажет плотность пикселей справа, если сцена слишком интенсивная в солнечный день или имеет слишком много бликов.
Слишком высокая плотность пикселей на обоих концах заставляет камеру работать за пределами своего динамического диапазона — и вы потеряете детализацию света или тени.
Удерживая плотность пикселей в пределах гистограммы, вы оптимизируете динамический диапазон камеры.
Ознакомьтесь с нашим руководством по гистограмме здесь.
Экспозиция вправоЯ знаю, что только что сказал, чтобы плотность пикселей гистограммы не отклонялась вправо или влево слишком сильно. Если вы снимаете со сложным динамическим диапазоном и вам приходится выбирать между слишком ярким и слишком темным, выберите слишком яркий.
При этом ваша гистограмма будет показывать большую плотность пикселей справа — без того, чтобы все это упиралось в границу.
Экспонирование вправо («ETTR») — термин, используемый для описания этого метода.
Камеры лучше справляются с переэкспонированным или более ярким динамическим диапазоном, чем с более темным. Кроме того, блики часто легче восстановить в программном обеспечении для редактирования.
Узнайте больше о недодержке и передержке здесь.
Снимать в формате RAWЦифровые камеры позволяют снимать в формате JPEG и RAW. Файлы JPEG намного меньше по размеру, поскольку они содержат только поверхностный слой данных фотографии и деталей.
Как правило, файлы JPEG намного сложнее редактировать и исправлять в программах редактирования.
Файлы RAW намного больше по размеру и содержат все несжатые данные изображения непосредственно с сенсора. Все эти дополнительные данные означают, что вы с большей вероятностью восстановите потерянные детали в тенях и отодвинете некоторые из бликов.
Файлы RAW содержат весь динамический диапазон камеры, и с помощью приложений для редактирования мы можем сделать фотографию эффектной.
Подробнее о других различиях между RAW и JPEG можно прочитать здесь.
Сохранить низкое значение ISOПри оптимизации динамического диапазона вашей камеры устанавливайте максимально низкое значение ISO. Это проще сделать при съемке в ярких условиях, поскольку мы не полагаемся на ISO для правильной экспозиции фотографии.
Увеличение ISO может сделать всю фотографию более яркой, но при этом уменьшится диапазон камеры. Каждое увеличение ISO добавляет света, но уменьшает динамический диапазон.
Вместо увеличения ISO рассмотрите возможность использования более широкой диафрагмы или более длинной скорости затвора.
Узнайте больше об ISO здесь.
Создание HDR-изображенийСоздание фотографий с расширенным динамическим диапазоном (HDR) эффективно преодолевает ограничения динамического диапазона, если все сделано правильно.
Если у вас возникли проблемы с правильной экспозицией светлых и темных областей изображения, попробуйте сделать несколько снимков с разной экспозицией. Некоторые камеры имеют функции брекетинга для автоматизации HDR-съемки.
Сделав несколько фотографий одной и той же сцены с разной степенью экспозиции, вы можете позже объединить их в программном обеспечении для редактирования, чтобы сформировать фотографию с расширенным динамическим диапазоном.
Процесс смешивания приводит к правильному экспонированию каждой области изображения, что увеличивает динамический диапазон фотографии.
Чрезмерное использование HDR-фотографии часто приводит к тому, что фотографии выглядят неправильными и пережаренными. При правильном балансе и практике с HDR вы получите правильную экспозицию и детализацию в тенях и светах.
Вот более подробное руководство по HDR-фотографии, а также обзор Aurora HDR, программного инструмента, помогающего упростить процесс редактирования.
Какая камера имеет лучший динамический диапазон?
Если вы ищете цифровые камеры с лучшим динамическим диапазоном, вам есть из чего выбрать.
Все ведущие бренды камер стремятся поднять потолок динамического диапазона все выше и выше с каждым поколением цифровых камер.
В результате большинство камер текущего поколения от ведущих брендов имеют исключительный динамический диапазон, составляющий в среднем от 12 до 15 ступеней при различных значениях ISO.
Nikon D850 возглавляет рейтинги как камера с лучшим динамическим диапазоном, хотя несколько других моделей отстают от нее.
Следующий шаг для вас — определить, какие еще функции вы ищете в цифровой камере профессионального уровня, чтобы сократить список возможных вариантов.
Вот наш выбор доступных в настоящее время камер с лучшим динамическим диапазоном (мы ссылаемся на обзоры Shotkit, где они доступны):
- Nikon D850 — 14,8 ступени при ISO 64
- Leica Q2 — 14,5 ступени при ISO 400
- Canon EOS R — 14,1 ступени при ISO 800.
- Leica CL — 13,6 ступени при ISO 100.
- Canon EOS M50 — 13,4 ступени при ISO 100.
- Olympus OM-D E-M10 Mark III — 12,3 ступени при ISO 800.
- Canon 5D Mark IV — 13,6 ступени при ISO 100.
- Sony α7R IV — 14,3 ступени
- Sony a7 III — 14,7 ступени при ISO 50
- Nikon Z7 — 14,6 ступени при ISO 64
- Panasonic Lumix DC-GH5 — 13 ступеней при ISO 200 важен ли динамический диапазон в фотографии?
Динамический диапазон в фотографии очень важен, поскольку он означает создание фотографий, максимально приближенных к тому, что видит человеческий глаз. Кроме того, в настоящее время основным направлением деятельности всех производителей камер является улучшение динамического диапазона в каждом новом поколении камер.
Что такое «хороший» динамический диапазон?
Хороший динамический диапазон зависит от того, что вы собираетесь фотографировать. Если вы предпочитаете пейзажи и фотографии на открытом воздухе, то хороший динамический диапазон должен стоять на первом месте в вашем списке приоритетов.
Высококачественные цифровые камеры имеют диапазон от 12 до 15 ступеней при базовых уровнях ISO, но некоторые из них невероятно дороги.
Диапазон от 10 до 13 идеален для большинства фотографов, а с помощью обсуждаемых здесь приемов вы все равно сможете оптимизировать результаты.
Влияет ли ISO на динамический диапазон?
Да, ISO влияет на DR. Каждое увеличение ISO добавляет света, но уменьшает динамический диапазон.
Заключительные слова
На этом наше руководство по динамическому диапазону заканчивается. Часто концепции и приемы фотографии чрезмерно усложняются ненужным жаргоном и намерениями.
Изучение нового навыка или процесса должно быть приятным и простым, особенно для таких творческих людей, как мы.
DR — это простая концепция, которая во многом зависит от возможностей сенсора вашей камеры. Но, как мы обнаружили, есть способы оптимизировать результаты и каждый раз получать потрясающие фотографии с правильной экспозицией.