Динамический диапазон матрицы фотоаппарата

Артем Кашканов, 2013

Сегодня мы поговорим о такой вещи, как динамический диапазон. Это слово часто вызывает замешательство начинающих фотолюбителей из-за своей заумности. Определение динамического диапазона, которое дает любимая всеми Википедия способно ввести в ступор даже опытного фотографа – отношение величин максимальной и минимальной экспозиции линейного участка характеристической кривой.

Не пугайтесь, на самом деле ничего сложного в этом нет. Давайте попробуем определить физический смысл этого понятия.

Представьте себе самый светлый объект, который вы вообще видели? Предположим, что это снег, освещенный ярким солнцем.

От яркого белого снега иногда глаза слепнут!

А теперь представьте самый темный объект. Лично мне вспоминается комната со стенами из шунгита (камень черного цвета), в которой я побывал во время экскурсии в подземном музее геологии и археологии в Пешелани (Нижегородская область). Тьма – хоть глаз коли!

"Шунгитовая комната" в музее геологии и археологии (п. Пешелань, нижегородская область)

Обратите внимение, что на снежном пейзаже часть картинки ушла в полную белизну – эти объекты оказались ярче определенного порога и из-за этого их текстура исчезла, получилась абсолютно белая область. На снимке из подземелья стены, не освещенные фонариком ушли в полную черноту – их яркость оказалась ниже порога восприятия света матрицей.

Динамический диапазон – это такой диапазон яркости объектов, который камера воспринимает как от абсолютно черного до абсолютно белого. Чем шире динамический диапазон, тем лучше передача цветовых оттенков, лучше устойчивость матрицы к пересвету и меньше уровень шума в тенях.

Еще динамический диапазон можно охарактеризовать как способность фотоаппарата передавать на снимках самые мельчайшие детали и в тенях и в светах одновременно.

Проблема нехватки дианмического диапазона неизбежно сопутствует нам почти всегда, когда мы фотографируем какие-то высококонтрастные сюжеты – пейзажи в яркий солнечный день, рассветы и закаты. При съемке в ясный полдень имеет место большой контраст между светами и тенями. При съемке заката камера часто слепнет от солнца, попадающего в кадр, в итоге либо земля получается черной, либо небо сильно пересвечивается (либо и то и другое сразу).

Катастрофическая нехватка динамического диапазона

Может быть, для любительской фотографии проблема не столь существенна, но когда мы имеем дело с художественной пейзажной фотографией, динамический диапазон камеры часто становится "бутылочным горлышком", которое не позволяет нам качественно воплотить многие наши творческие замыслы.

Производители фотокамер, можно сказать, не щадя сил работают над расширением динамического диапазона у матриц. Это им удается не всегда, тем не менее, за последнее время было сделано несколько серьезных шагов, фотолюбителям позволяющих хоть как-то запечатлевать высококонтрастные сцены с минимальной потерей цветовых оттенков.

Что такое HDR?

Вероятно, вы уже слышали о технологии расширения динамического диапазона – HDR (High Dynamic Range) – за счет съемки не одного кадров, а сразу нескольких с разным уровнем экспозиции и дальнейшее "сведение" их в одно изображение:

Из указанного примера, я думаю, виден принцип работы HDR – светлые участки берутся с недосвеченного снимка, темные с пересвеченного, в итоге получается изображение, на котором все проработано – и света и тени!

Когда следует использовать HDR?

Во-первых – нужно научиться определять на этапе съемки – хватает нам динамического диапазона, чтобы запечатлеть сюжет за одну экспозицию или нет. В этом помогает гистограмма. Она представляет из себя график распределения яркости пикселей вдоль всего динамического диапазона.

Как посмотреть гистограмму снимка на фотоаппарате?

Гистограмма снимка может выводится в режиме воспроизведения, а также при съемке с использованием LiveView. Для отображения гистограммы нужно один или несколько раз нажать кнопку INFO (Disp) на задней панели фотоаппарата.

На фотографии приведен снимок задней панели фотоаппарата Canon EOS 5D. Расположение кнопки INFO на вашем фотоаппарате может быть другим, в случае затруднения почитайте инструкцию.

Если гистограмма полностью умещается внутри отведенного ей диапазона, нет никакой надобности в использовании HDR. Если график упирается только вправо или только влево, воспользуйтесь функцией экспокоррекции, чтобы "загнать" гистограмму в отведенные ей рамки (подробнее об этом читайте в Фотоучебнике) Света и тени можно безболезненно подкорректировать в любом графическом редакторе.

Однако, если график "упирается" и в ту и в другую сторону, это свидетельствует о том, что динамического диапазона не хватает и для качественной проработки изображения нужно прибегнуть к созданию HDR-изображения. Это можно сделать автоматически (не на всех камерах) или вручную (практически на любой камере).

Авто HDR – плюсы и минусы

Владельцам современных фотоаппаратов технология создания HDR изображений близка как никому другому – их камеры умеют это делать "на лету". Чтобы сделать фотографию в режиме HDR, нужно только включить соответствующий режим на своей фотокамере. У некоторых аппаратов даже есть специальная кнопка, которая активизирует режим съемки в HDR, например у зеркалок Sony серии SLT:

В большинстве других аппаратов этот режим задействуется через меню. Причем режим АвтоHDR есть не только у зеркалок, но и у многих мыльниц. При выборе режима HDR фотоаппарат сам делает 3 снимка подряд, затем производит совмещение трех изображений в одно. Если сравнивать с обычным режимом (например, просто Авто), режим AutoHDR в некоторых случаях позволяет ощутимо улучшить проработку оттенков в светах и тенях:

Вроде бы все удобно и замечательно, но у AutoHDR есть очень серьезный недостаток – если результат вас не устроит, вы не сможете ничего изменить (или сможете, но в очень небольших пределах). Выходной результат получается в формате Jpeg со всеми вытекающими последствиями – дальнейшая обработка таких фотографий без потери качества может быть затруднительна. Многие фотографы, вначале понадеявшись на автоматику, а потом покусав по этому поводу локти, начинают осваивать формат RAW и создание HDR-изображений при помощи специального программного обеспечения.

Как научиться делать HDR-изображения вручную?

Прежде всего нужно научиться использовать функцию брекетинга экспозиции.

Брекетинг экспозиции – это такой режим съемки, когда после съемки первого кадра (основного), для следующих двух кадров камера выставляет отрицательную и положительную коррекцию экспозиции. Уровень экспокоррекции можно задать произвольный, диапазон регулировки у разных камер может различаться. Таким образом на выходе получаются три изображения (нужно 3 раза нажимать на кнопку спуска затвора или делать 3 кадра в режиме серийной съемки).

Как включить брекетинг?

Режим брекетинга экспозиции включается через меню фотоаппарата (по крайней мере у Canon). Аппарат должен быть в одном из творческих режимов – P, AV (A), TV (S), M. В автоматических режимах функция брекетинга недоступна.

При выборе пункта меню AEB (Auto Exposure Bracketing) нажимаем кнопку "SET", а затем крутим управляющее колесико – при этом ползунки будут расползаться в разные стороны (или наоборот, сближаться). Таким образом задается ширина охвата экспозиции. У Canon EOS 5D максимальный диапазон регулировки – +-2EV, у более новых аппаратов он, как правило, больше.

В результате съемке в режиме брекетинга экспозиции получаются три кадра с разным уровнем экспозиции:

Базовый кадр

Логично предположить, что для того, чтобы эти три картинки потом нормально "склеились" в одну, камера должна стоять неподвижно, то есть на штативе – три раза нажать на кнопку спуска и при этом не сместить камеру при съемке с рук практически невозможно. Однако, если штатива нет (или не охота его таскать), вполне можно воспользоваться функцией брекетинга экспозиции в режиме серийной съемки – даже если смещение и будет, то очень небольшое. Большинство современных программ для HDR умеют компенсировать это смещение, чуть подрезая края кадра. Лично я почти всегда снимаю без штатива. Видимой потери качества из-за небольшого смещения камеры во время съемки серии я не наблюдаю.

Вполне возможно, что в вашей камере нет функции брекетинга экспозиции. В этом случае можно воспользоваться функцией коррекции экспозиции, вручную меняя ее значение в заданных пределах и делая при этом снимки. Еще вариант – перейти в ручной режим и менять значение выдержки. Естественно, в этом случае без штатива уже не обойтись.

Итак, мы наснимали кучу материала. Но эти изображения являются лишь "заготовками" для дальнейшей компьютерной обработки. Давайте рассмотрим "на одном квадратном миллиметре", как создается HDR-изображение.

Для создания одного HDR-изображения нам понадобятся три фотографии, сделанными в режиме брекетинга экспозиции и программа Photomatix (скачать пробную версию можно с официального сайта). Установка программы ничем не отличается от установки большинства Windows-приложений, поэтому на ней заострять внимание не будем.

Открываем программу и нажимаем кнопку Load Bracketed Photos

Нажимаем кнопку Browse и указываем программе исходные изображения. Также можно перетащить данные изображения в окошко методом Drag’n’Drop. Нажимаем ОК.

Далее программа нам предлагает выбрать опции склейки. На рисунке ниже приведены настройки по умолчанию.

В красной рамке выделена группа настроек по совмещению изображений (если имела место межкадровая шевеленка), в желтой рамке – удаление "призраков" (если в кадр попал какой-то движущийся объект, он на каждом кадре серии будет расположен в разных местах, можно указать основное положение объекта, а "призраки" будут удалены), в голубой рамке – уменьшение шумов и хроматических аберраций. В принципе, настройки можно не менять – все подобрано оптимальным образом для статичных пейзажей. Нажимаем кнопку ОК.

Далее производится загрузка, совмещение и выравнивание изображений. После этого в окне программы выводится некий "черновик":

Не пугайтесь, все нормально. Нажимаем кнопку Tone Mapping / Fusion.

И вот мы получили уже что-то похожее на то, что мы хотели увидеть. Дальше алгоритм простой – в нижнем окне список предустановленных настроек, выбираем среди них такую, которая нам больше всего придется по вкусу. Затем используем инструменты в левой колонке для тонкой настройки яркости, контрастности и цветов. Единой рекомендации нет, для каждой фотографии настройки могут быть совершенно разными. Не забываем следить за гистограммой (вверху справа) – чтобы она оставалась "симметричной".

После того, как мы наигрались с настройками и получили удовлетворяющий нас результат, нажимаем кнопку Process (в левой колонке под панелью инструментов). После этого программа создаст полноразмерный "чистовой" вариант, который мы можем сохранить на жесткий диск.

Фотографии по умолчанию сохраняются в формате TIFF, 16 бит на канал. Далее полученное изображение можно открыть в программе Adobe Photoshop и выполнить окончательную обработку – сделать выравнивание горизонта (как?), убрать следы пыли на матрице (как?), скорректировать цветовые оттенки или уровни и так далее, то есть подготовить фотографию к печати, продаже, публикации на веб-сайте.

Еще раз сравним что было с тем, что стало:

Важное замечание! Лично я считаю, что обработка фотографии должна лишь компенсировать неспособность камеры передать красоту пейзажа из-за технического несовершенства. Особенно это касается HDR – уж больно велик соблазн "сгустить краски!" Многие фотографы, обрабатывая свои работы не придерживаются этого принципа и стремятся приукрасить и без того красивые виды, в итоге часто получается безвкусица. Яркий пример – фотография на главной странице сайта HDRSoft.com (откуда скачивается Photomatix)

Фотография из-за такой "обработки" совершенно потеряла реалистичность. Такие картинки когда-то действительно были в диковинку, но сейчас, когда технология стала более доступной и прочно вошла в обиход, такие "творения" смотрятся как "дешевая попса".

HDR при грамотном и умеренном использовании может подчеркнуть реализм пейзажа, но далеко не всегда. Если умеренная обработка не позволяет вогнать гистограмму в отведенное до нее пространство, возможно, есть смысл даже не пытаться ее усиливать. При усилении обработки мы, возможно, сможем добиться "симметричной" гистограммы, но картинка все равно потеряет реалистичность. Причем, чем жестче условия и чем сильнее обработка, тем труднее эту реалистичность сохранить. Рассмотрим два примера:

Солнце только-только поднимается над горизонтом и светит сквозь дымку. Контраст относительно небольшой. После HDR-обработки картинка осталась более-менее реалистичной.

Солнце чуть поднялось над горизонтом и свет стал намного ярче, контрастность многократно увеличилась. Портебовался больший шаг брекетинга. Даже несмотря на то, что все проработано – и света и тени, картинка выглядит будто "с другой планеты" – появились непонятные оттенки, которые мы не привыкли видеть в реальности.

Если дать солнцу подняться еще выше, то придется выбирать между расползанием его в окромную белую дыру вполнеба, либо дальнейшим уходом от реальности (при попытке сохранить его видимый размер и форму).

Как еще можно избежать пере/недосветов, не прибегая к HDR?

Все что описано ниже – скорее частные случаи, чем правила. Тем не менее, зная о подобных приемах съемки можно, зачастую, спасти фотографии от пере/недоэкспозиции.

1. Использование градиентного фильтра

Это светофильтр, который наполовину прозрачный, наполовину затененный. Затененный участок совмещается с небом, прозрачный – с землей. В итоге, разница в экспозиции становится намного меньше. Градиентный фильтр полезен при съемке закатов/рассветов над лугами.

Статьи по теме

2. Пропустите солнце через листья, ветки

Очень полезным может быть прием, когда выбирается такая точка съемки, при которой солнце светит сквозь кроны деревьев. С одной стороны, солнце сохраняется в пределах кадра (если этого требует задумка автора), с другой – оно намного меньше слепит камеру.

Кстати, никто не запрещает комбинировать данные приемы съемки с HDR, получая при этом тонально богатые фотоагрфии рассветов и закатов 🙂

3. В первую очередь спасайте света, тени потом можно "вытянуть" в Фотошопе

Известно, что при съемке высококонтрастных сюжетов фотоаппарату часто не хватает динамического диапазона, в итоге тени недосвечиваются, а света пересвечиваются. Чтобы повысить шансы на восстановление фотографий до презентабельного вида рекомендую использовать отрицательную экспокоррекцию таким образом, чтобы не допускать переэкспозиции. В некоторых фотоаппаратах для этой цели есть режим "приоритет светлых оттенков".

Недосвеченные тени достаточно легко можно "вытянуть", например, в программе Adobe Photoshop Lightroom.

После открытия фотографии в программе, вам нужно взять ползунок Fill Light и сдвинуть его вправо – это позволит "вытянуть" тени.

На первый взгляд, результат такой же как и при использовании брекетинга и HDR, однако, если рассмотреть фотографию поближе (в 100% масштабе) нас ждет разочарование:

Уровень шумов на "воскрешенных" участках просто непотребный. Для его уменьшения, разумеется, можно воспользоваться инструментом Noise Reduction, но при этом может ощутимо пострадать детализация.

А вот для сравнения тот же участок фотографии из варианта с HDR:

Разница есть! Если вариант с "вытянутыми" тенями годится в лучшем случае для печати форматом 10*15 (или просто публикации в Интернете), то HDR-версия вполне пригодна для печати большим форматом.

Вывод простой: хотите действительно качественных фотоснимков – иногда придется попотеть. Но теперь вы, по крайней мере, знаете как это делается! На этом, я считаю, можно закончить и, разумеется, пожелать вам побольше удачных кадров!

Динамический диапазон или фотографическая широта фотоматериала – это отношение между максимальным и минимальным значениями экспозиции, которые могут быть корректно запечатлены на снимке. Применительно к цифровой фотографии, динамический диапазон фактически эквивалентен отношению максимального и минимального возможных значений полезного электрического сигнала, генерируемого фотосенсором в ходе экспонирования.

Динамический диапазон измеряется в ступенях экспозиции (EV). Каждая ступень соответствует удвоению количества света. Так, например, если некая камера имеет динамический диапазон в 8 EV, то это означает, что максимальное возможное значение полезного сигнала её матрицы относится к минимальному как 2 8 :1, а значит, камера способна запечатлеть в пределах одного кадра объекты, отличающиеся по яркости не более чем в 256 раз. Точнее, запечатлеть-то она может объекты с любой яркостью, однако объекты, чья яркость будет превышать максимальное допустимое значение выйдут на снимке ослепительно белыми, а объекты, чья яркость окажется ниже минимального значения, – угольно чёрными. Детали и фактура будут различимы лишь на тех объектах, яркость которых укладывается в динамический диапазон камеры.

Для описания отношения между яркостью самого светлого и самого тёмного из снимаемых объектов часто используется не вполне корректный термин «динамический диапазон сцены». Правильнее будет говорить о диапазоне яркости или об уровне контраста, поскольку динамический диапазон – это обычно характеристика измеряющего устройства (в данном случае, матрицы цифрового фотоаппарата).

К сожалению, диапазон яркости многих красивых сцен, с которыми мы сталкиваемся в реальной жизни, может ощутимо превышать динамический диапазон цифровой фотокамеры. В таких случаях фотограф бывает вынужден решать, какие объекты должны быть проработаны во всех деталях, а какие можно оставить за пределами динамического диапазона без ущерба для творческого замысла. Для того чтобы максимально эффективно использовать динамический диапазон вашей камеры, от вас порой может потребоваться не столько доскональное понимание принципа работы фотосенсора, сколько развитое художественное чутьё.

Факторы, ограничивающие динамический диапазон

Нижняя граница динамического диапазона задана уровнем собственного шума фотосенсора. Даже неосвещённая матрица генерирует фоновый электрический сигнал, называемый темновым шумом. Также помехи возникают при переносе заряда в аналого-цифровой преобразователь, да и сам АЦП вносит в оцифровываемый сигнал определённую погрешность – т.н. шум дискретизации.

Если сделать снимок в полной темноте или с крышкой на объективе, то камера запишет только этот бессмысленный шум. Если позволить минимальному количеству света попасть на сенсор, фотодиоды начнут накапливать электрический заряд. Величина заряда, а значит, и интенсивность полезного сигнала, будет пропорциональна числу пойманных фотонов. Чтобы на снимке проступили хоть сколько-нибудь осмысленные детали, необходимо, чтобы уровень полезного сигнала превысил уровень фонового шума.

Таким образом, нижнюю границу динамического диапазона или, иначе говоря, порог чувствительности сенсора формально можно определить как уровень выходного сигнала, при котором отношение сигнал/шум больше единицы.

Верхняя граница динамического диапазона определяется ёмкостью отдельного фотодиода. Если во время экспозиции какой-либо фотодиод накопит электрический заряд предельной для себя величины, то соответствующий перегруженному фотодиоду пиксель изображения получится абсолютно белым, и дальнейшее облучение уже никак не повлияет на его яркость. Это явление называют клиппингом. Чем выше перегрузочная способность фотодиода, тем больший сигнал способен он дать на выходе, прежде чем достигнет насыщения.

Для большей наглядности обратимся к характеристической кривой, которая представляет собой график зависимости выходного сигнала от экспозиции. На горизонтальной оси отложен двоичный логарифм облучения, получаемого сенсором, а на вертикальной – двоичный логарифм величины электрического сигнала, генерируемого сенсором в ответ на это облучение. Мой рисунок в значительной степени условен и преследует исключительно иллюстративные цели. Характеристическая кривая настоящего фотосенсора имеет несколько более сложную форму, да и уровень шума редко бывает столь высок.

На графике хорошо видны две критические переломные точки: в первой из них уровень полезного сигнала пересекает шумовой порог, а во второй – фотодиоды достигают насыщения. Значения экспозиции, лежащие между этими двумя точками, и составляют динамический диапазон. В данном абстрактном примере он равен, как несложно заметить, 5 EV, т.е. камера способна переварить пять удвоений экспозиции, что равнозначно 32-кратной (2 5 =32) разнице в яркости.

Зоны экспозиции, составляющие динамический диапазон неравноценны. Верхние зоны отличаются более высоким отношением сигнал/шум, и потому выглядят чище и детальнее, чем нижние. Вследствие этого верхняя граница динамического диапазона весьма вещественна и ощутима – клиппинг обрубает света при малейшей передержке, в то время как нижняя граница неприметным образом тонет в шумах, и переход к чёрному цвету далеко не так резок, как к белому.

Линейная зависимость сигнала от экспозиции, а также резкий выход на плато являются уникальными чертами именно цифрового фотографического процесса. Для сравнения взгляните на условную характеристическую кривую традиционной фотоплёнки.

Форма кривой и особенно угол наклона сильно зависят от типа плёнки и от процедуры её проявления, но неизменным остаётся главное, бросающееся в глаза отличие плёночного графика от цифрового – нелинейный характер зависимости оптической плотности плёнки от величины экспозиции.

Нижняя граница фотографической широты негативной плёнки определяется плотностью вуали, а верхняя – максимальной достижимой оптической плотностью фотослоя; у обращаемых плёнок – наоборот. Как в тенях, так и в светах наблюдаются плавные изгибы характеристической кривой, указывающие на падение контраста при приближении к границам динамического диапазона, ведь угол наклона кривой пропорционален контрастности изображения. Таким образом, зоны экспозиции, лежащие на средней части графика, обладают максимальным контрастом, в то время как в светах и тенях контраст снижен. На практике разница между плёнкой и цифровой матрицей особенно хорошо заметна в светах: там, где в цифровом изображении света выжжены клиппингом, на плёнке детали всё ещё различимы, хоть и малоконтрастны, а переход к чисто белому цвету выглядит плавным и естественным.

В сенситометрии используются даже два самостоятельных термина: собственно фотографическая широта, ограниченная сравнительно линейным участком характеристической кривой, и полезная фотографическая широта, включающая помимо линейного участка также основание и плечо графика.

Примечательно, что при обработке цифровых фотографий, к ним, как правило, применяется более или менее выраженная S-образная кривая, повышающая контраст в полутонах ценой его снижения в тенях и светах, что придаёт цифровому изображению более естественный и приятный глазу вид.

Разрядность

Разрядность аналого-цифрового преобразователя (АЦП) определяет максимальное количество уровней яркости цифрового изображения. У современных цифровых фотоаппаратов разрядность АЦП составляет обычно 12 или 14 бит.

Каждый дополнительный бит информации означает удвоение количества градаций яркости, которые способна запечатлеть матрица, а значит, один бит соответствует одному шагу экспозиции. Можно даже сказать, что разрядность ограничивает потенциальный динамический диапазон фотосенсора.

Следует подчеркнуть, что реальный динамический диапазон определяется, в первую очередь, свойствами самого сенсора и не зависит от разрядности. 14 бит на пиксель вовсе не эквивалентны динамическому диапазону в 14 EV. Отношение шум/сигнал не меняется в зависимости от того, во сколько бит преобразуется сигнал – 8, 12 или 14, и потому разрядность указывает лишь на теоретический максимум динамического диапазона, без учёта шумов. Эффективный же динамический диапазон будет существенно меньше заданного разрядностью, поскольку младшие разряды содержат лишь шум и фактически бесполезны.

Тем не менее, повышение разрядности является благом, даже если она не сопровождается улучшением шумовых характеристик сенсора. Чем выше разрядность, тем больше дискретных значений приходится на зоны экспозиции, лежащие выше шумового порога, а это означает большее количество цветовых оттенков и более плавные тональные переходы.

Вспомним ещё раз о линейной природе цифрового фотосенсора. Линейность заключается в том, что электрический заряд, накапливаемый фотодиодами в процессе экспонирования, прямо пропорционален полученному ими облучению. Удвоение экспозиции означает двукратное увеличение сигнала, подлежащего оцифровке. В результате каждая последующая ступень экспозиции описывается вдвое большим числом дискретных значений, чем предыдущая.

Предположим, цифровая фотокамера имеет динамический диапазон 6 EV и сохраняет RAW-файлы с разрядностью 12 бит на пиксель. 12 бит означают 2 12 или 4096 дискретных уровней яркости. Распределение значений по ступеням экспозиции в пределах эффективного динамического диапазона будет выглядеть следующим образом:

Шестая ступень	2048 уровней
Пятая ступень	1024 уровня
Четвёртая ступень	512 уровней
Третья ступень	256 уровней
Вторая ступень	128 уровней
Первая ступень	64 уровня
Шум

Вы видите, что последняя, самая яркая ступень содержит 2048 уровней яркости, т.е. половину от числа всех доступных значений. Самая же тёмная ступень содержит всего лишь 64 уровня, и попытка осветлить тени при постобработке может легко привести к возникновению постеризации.

Очевидно, что света в цифровой фотографии описываются с намного большей точностью, чем тени, что особенно критично при интенсивном редактировании снимков. Именно поэтому я советую вам, во-первых, использовать при съёмке в RAW максимальную доступную для вашей камеры разрядность (обычно это 14 бит), а во-вторых, всегда давать настолько большую экспозицию, насколько это возможно без возникновения клиппинга в светах, чтобы как можно более эффективно использовать самые полезные верхние ступени динамического диапазона (См. также: «Параметры NEF»).

Гамма-коррекция

В отличие от матрицы цифрового фотоаппарата человеческому зрению свойственен, скажем так, логарифмический взгляд на мир. Последовательные удвоения количества света воспринимаются нами как равные изменения яркости. Световые числа можно даже сравнить с музыкальными октавами, ведь двукратные изменения частоты звука воспринимаются на слух как единый музыкальный интервал. По такому принципу работают и другие органы чувств. Нелинейность восприятия очень сильно расширяет диапазон чувствительности человека к раздражителям различной интенсивности.

При конвертировании RAW-файла (не важно – средствами камеры или в RAW-конвертере), содержащего линейные данные, к нему автоматически применяется т.н. гамма-кривая, которая призвана нелинейно повысить яркость цифрового изображения, приводя её в соответствие с особенностями человеческого зрения.

При линейной конверсии изображение получается слишком тёмным.

После гамма-коррекции яркость приходит в норму.

Гамма-кривая как бы растягивает тёмные тона и сжимает светлые, делая распределение градаций более равномерным. В результате изображение приобретает естественный вид, но шум и артефакты дискретизации в тенях неизбежно становятся более заметными, что только усугубляется малым числом уровней яркости в нижних зонах.

Линейное распределение градаций яркости.

Равномерное распределение после применения гамма-кривой.

ISO и динамический диапазон

Несмотря на то, что в цифровой фотографии используется та же концепция светочувствительности фотоматериала, что и в фотографии плёночной, следует понимать, что происходит это исключительно в силу традиции, поскольку подходы к изменению светочувствительности в цифровой и плёночной фотографии различаются принципиально.

Повышение чувствительности ISO в традиционной фотографии означает замену одной плёнки на другую с более крупным зерном, т.е. происходит объективное изменение свойств самого фотоматериала. В цифровой камере светочувствительность сенсора жёстко задана его физическими характеристиками и не может быть изменена в буквальном смысле. При повышении ISO камера изменяет не реальную чувствительность сенсора, а всего лишь усиливает электрический сигнал, генерируемого сенсором в ответ на облучение и соответствующим образом корректирует алгоритм оцифровки этого сигнала.

Важным следствием этого является снижение эффективного динамического диапазона пропорционально повышению ISO, ведь вместе с полезным сигналом усиливается и шум. Если при ISO 100 оцифровывается весь диапазон значений сигнала – от нуля и до точки насыщения, то при ISO 200 уже только половина ёмкости фотодиодов принимается за максимум. С каждым удвоением чувствительности ISO верхняя ступень динамического диапазона как бы отсекается, а оставшиеся ступени, подтягиваются на её место. Именно поэтому использование сверхвысоких значений ISO лишено практического смысла. С тем же успехом можно осветлить фотографию в RAW-конвертере и получить сопоставимый уровень шумов. Разница между повышением ISO и искусственным осветлением снимка заключается в том, что при повышении ISO усиление сигнала происходит до поступления его в АЦП, а значит, шум квантования не усиливается, в отличие от собственных шумов сенсора, в то время как в RAW-конвертере усилению подлежат в том числе и ошибки АЦП. Кроме того, уменьшение диапазона оцифровки означает более точную дискретизацию оставшихся значений входного сигнала.

Кстати, доступное на некоторых аппаратах понижение ISO ниже базового значения (например, до ISO 50), отнюдь не расширяет динамический диапазон, а просто ослабляет сигнал вдвое, что равноценно затемнению снимка в RAW-конвертере. Эту функцию можно даже рассматривать как вредную, поскольку использование субминимального значения ISO, провоцирует камеру на увеличение экспозиции, что при оставшемся неизменным пороге насыщения сенсора повышает риск получить клиппинг в светах.

Истинная величина динамического диапазона

Существует ряд программ вроде (DxO Analyzer, Imatest, RawDigger и пр.) позволяющих измерить динамический диапазон цифрового фотоаппарата в домашних условиях. В принципе, в этом нет большой необходимости, поскольку данные для большинства камер можно свободно найти в интернете, например, на сайте DxOMark.com.

Стоит ли верить результатам подобных испытаний? Вполне. С той лишь оговоркой, что все эти тесты определяют эффективный или, если можно так выразиться, технический динамический диапазон, т.е. отношение между уровнем насыщения и уровнем шума матрицы. Для фотографа же в первую очередь важен полезный динамический диапазон, т.е. количество зон экспозиции, которые действительно позволяют запечатлеть какую-то полезную информацию.

Как вы помните, порог динамического диапазона задан уровнем шумов фотосенсора. Проблема в том, что на практике нижние зоны, формально уже входящие в динамический диапазон, содержат всё ещё слишком много шума, чтобы их можно было с толком использовать. Здесь многое зависит от индивидуальной брезгливости – приемлемый уровень шума каждый определяет для себя сам.

Моё субъективное мнение таково, что детали в тенях начинают выглядеть более-менее прилично при отношении сигнал/шум не меньше восьми. На этом основании я определяю для себя полезный динамический диапазон, как технический динамический диапазон минус примерно три ступени.

К примеру, если зеркальная камера согласно результатам достоверных тестов обладает динамическим диапазоном в 13 EV, что очень неплохо по сегодняшним меркам, то её полезный динамический диапазон будет составлять около 10 EV, что, в общем-то, тоже весьма недурно. Разумеется, речь идёт о съёмке в RAW, с минимальным ISO и максимальной разрядностью. При съёмке в JPEG динамический диапазон сильно зависит от настроек контраста, но в среднем следует отбросить ещё две-три ступени.

Для сравнения: цветные обращаемые фотоплёнки обладают полезной фотографической широтой в 5-6 ступеней; чёрно-белые негативные плёнки дают 9-10 ступеней при стандартных процедурах проявления и печати, а при определённых манипуляциях – вплоть до 16-18 ступеней.

Практические рекомендации

Подытоживая вышесказанное, попробуем сформулировать несколько простых правил, соблюдение которых поможет вам выжать из сенсора вашей камеры максимум производительности:

• Динамический диапазон цифрового фотоаппарата в полной мере доступен только при съёмке в RAW.
• Динамический диапазон уменьшается с ростом светочувствительности, а потому избегайте высоких значений ISO, если в них нет острой необходимости.
• Использование более высокой разрядности для RAW-файлов не увеличивает истинный динамический диапазон, но улучшает тональное разделение в тенях за счёт большего количества уровней яркости.
• Exposure to the right. Верхние зоны экспозиции всегда содержат максимум полезной информации при минимуме шумов и должны использоваться наиболее эффективно. При этом не стоит забывать и об опасности клиппинга – пиксели, достигшие насыщения, абсолютно бесполезны.

И главное: не стоит излишне переживать по поводу динамического диапазона вашей камеры. С динамическим диапазоном у неё всё в порядке. Ваше умение видеть свет и грамотно управлять экспозицией – намного важнее. Хороший фотограф не станет жаловаться на недостаток фотографической широты, а постарается дождаться более комфортного освещения, или изменит ракурс, или воспользуется вспышкой, словом, будет действовать в соответствии с обстоятельствами. Я вам скажу больше: некоторые сцены только выигрывают из-за того, что не укладываются в динамический диапазон камеры. Часто ненужное обилие деталей просто необходимо спрятать в полуабстрактный чёрный силуэт, делающий фотографию одновременно лаконичнее и богаче.

Высокий контраст это не всегда плохо – нужно лишь уметь с ним работать. Научитесь эксплуатировать недостатки оборудования так же, как и его достоинства, и вы удивитесь, насколько расширятся ваши творческие возможности.

Спасибо за внимание!

Post scriptum

Если статья оказалась для вас полезной и познавательной, вы можете любезно поддержать проект, внеся вклад в его развитие. Если же статья вам не понравилась, но у вас есть мысли о том, как сделать её лучше, ваша критика будет принята с не меньшей благодарностью.

Не забывайте о том, что данная статья является объектом авторского права. Перепечатка и цитирование допустимы при наличии действующей ссылки на первоисточник, причём используемый текст не должен ни коим образом искажаться или модифицироваться.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис.1 Устройство ПЗС-элемента.

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

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

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

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

Рис.2 Схематичное изображение вертикального дренажа.

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

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

Схематичное изображение бокового дренажа.

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

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

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