Добрый день, друзья!

Продолжаем сегодня знакомство с . Привел ссылку, где обзорно рассказывал о принципе работы фотокамер. Далее мы детальнее остановимся на отдельных элементах, о которых в общих чертах фотограф должен иметь понятие. Если будут встречаться непонятные для вас определения или термины, ничего страшного, просто продолжайте читать, и вы обязательно поймете суть. Уверен в этом! А важно именно общее понимание.

Статья довольна объемная, поэтому для удобства навигации оформил для вас содержание 🙂

Матрица в фотоаппарате. Что это такое?

Матрица в камере – это основной элемент, при помощи которого мы получаем изображение. Также часто называется сенсором или датчиком. Представляет собой микросхему, состоящую из фотодиодов – светочувствительных элементов. В зависимости от интенсивности попадающего света фотодиод формирует электрический сигнал разной величины, который впоследствии преобразуется в цифровой при помощи отдельного АЦП или встроенного в матрицу.

Матрица фиксирует свет и превращает его в набор битов (0/1), который затем формирует цифровое изображение.

Выглядит она следующим образом:

Матрица в фотоаппарате

Блестящая прямоугольная пластина по центру – это она и есть. А по краям фотографии .

Дискретная структура матрицы

Основу составляют очень маленькие фотодиоды или фототранзисторы, которые фиксируют свет и превращают его в электрический сигнал. Один такой фотодиод формирует один пиксель выходного цифрового изображения.

Небольшое отступление для тех, кто, возможно, не знает. Цифровое изображение состоит из множества точек, которые наш мозг «склеивает» в целостную картинку. Если таких точек будет недостаточно, мы станем замечать дискретность структуры, иными словами, станет казаться, будто изображение «распадается», являясь мозаичным, плавные переходы исчезнут.

Давайте рассмотрим фотографию собаки.

Дискретная структура матрицы на примере собаки

Не обращайте сейчас внимания, что она черно-белая. Абстрагируйтесь от понятия цвета, это другая тема, в данный момент так лучше будет воспринимать информацию. Матрица фиксирует электрический сигнал разной величины в зависимости от интенсивности света. И, если отнять специальные фильтры, предназначенные для получения цветного изображения, то выходная фотография получается как раз черно-белой. Кстати, камеры, снимающие исключительно в ЧБ, также существуют.

Схематически нанес на изображение сетку, иллюстрирующую дискретную, т.е. прерывную структуру матрицы. Каждый квадрат иллюстрирует минимальный элемент матрицы – пиксель, формируемый фотодиодом, на который попадает свет N-ой интенсивности и на выходе преобразуется в пиксель цифрового изображения N-ой яркости. К примеру, левый верхний угол темный – значит, на этот участок матрицы попало мало света. Шерсть, напротив, светлая – значит, туда попало больше света и электрический сигнал был иным. Естественно, изображение состоит из намного большего числа квадратиков, тут лишь схематическое изображение.

Матрица – аналог пленки

Раньше, когда не было цифровых фотоаппаратов, в качестве светочувствительного элемента, то бишь матрицы, использовалась пленка. В принципе конструкция пленочного фотоаппарата от цифрового не слишком сильно отличается, в последнем больше электроники, а вот «приемник» света совершенно иной.

Когда в пленочном фотоаппарате вы нажимаете на кнопку спуска, открывается затвор, и свет попадает на пленку. До момента закрытия затвора происходит химическая реакция, результат которой – изображение, хранящееся на пленке, но невидимое глазу до момента проявки. Пример такого химического процесса – разложение галогенида серебра на атомы галогена и серебра.

Как видите, сама суть совершенно другая. Пишу это для того, чтобы вы запомнили, что в современном мире матрица выполняет функции пленки, т.е. формирует изображение. Кстати, разница между ними в хранении: пленка является непосредственно и местом хранения конечного изображения, в цифровой фотографии изображение сохраняется на картах памяти.

Экспонирование матрицы

Важный термин, который часто используют фотографы. Означает сам процесс получения фотоснимка. Т.е. когда вы нажали кнопку спуска затвора, последний открылся и свет стал попадать на матрицу, говорят, что идет ее экспонирование. Идет до тех пор, пока затвор не закроется.

Вы можете услышать словосочетания «во время экспонирования…», «процесс экспонирования…», «при экспонировании…». Обычно слово «матрица» опускается, и говорят просто – экспонирование.

Характеристики матрицы

Нужно отдавать отчет, что матрицы сильно различаются друг от друга, и в различных ценовых диапазонах им присущи те или иные качества. Этот элемент можно считать «сердцем» камеры, как двигатель в машине или процессор в компьютере. Хотя ни машина, ни компьютер с одним только двигателем или процессором работать не станут, тем не менее эти элементы определяют потенциал системы. Сложно ожидать, что машина с двигателем малого объема сможет демонстрировать чудеса проворности в гонках. Так и с камерой – в бюджетном диапазоне они оборудуются ограниченными по возможностям матрицами, и от них сложно ожидать бесшумной картинки при съемке на длинной выдержке. Понятно, что есть характеристики, которые категоризуют матрицы по возможностям. К их рассмотрению и перейдем.

Для начала перечень основных характеристик:

• физический размер;
• разрешение;
• соотношение сигнал/шум;
• чувствительность ISO;
• динамический диапазон
• тип матрицы (устарело).

Теперь рассмотрим все детально.

Физический размер матрицы фотоаппарата

Матрица представляет собой прямоугольную пластину, которая собирает свет, и естественным образом имеет размеры. Выше мы рассматривали дискретную структуру матрицы, где уяснили, что она состоит из пикселей, которые в физическом смысле представляют собой фотоэлементы, превращающие попадающий свет в электрические заряды.

Соответственно, физический размер матрицы определяется величиной пикселей и расстоянием между ними. Чем больше будет расстояние между пикселями, представляющее собой изоляционный слой, тем меньше будет нагрев матрицы, тем выше будет соотношение сигнал/шум и чище выходная картинка.

Идем далее. Размер матрицы – это один из важнейших параметров, на который обязательно стоит обращать внимание. Для начинающих фотографов упрощенно отмечу, что размер матрицы – самая важная ее характеристика .

На практике отмечается в миллиметрах, либо обозначением формата, либо в дюймах диагонали сенсора. Формат – это просто наименование матрицы с определенными размерами. Называют так для упрощения. Что касается дюймов, то тут история тянется с измерения площади изображения на трубчатых телевизорах. Записывается, например, так: 1/1,8″. Не стоит производить математические вычисления, задаваясь целью определить физический размер диагонали и посчитать размеры сторон. Это просто обозначение, не имеющее математической силы. Важно лишь понимать, что матрица с диагональю 1/2,7″ заметно меньше, чем с 1/1,8″. Приведу популярные размеры:

На что влияет размер матрицы?

Чем больше размер матрицы, тем лучше

Это не всегда так, и с утверждением можно поспорить, но в общем случае это соответствует действительности. Более опытные читатели предвкушают переход темы в холиварное русло «Кроп vs полный кадр»:) Не стану сейчас потакать их желаниям, ведь мы говорим о фундаментальных вещах! Вернемся к теме.

От размера матрицы зависит:

1. шумность изображения;
2. динамический диапазон;
3. глубина цвета;
4. габариты камеры.

Опосредованно с изменением размера матрицы изменяется ГРИП и угол обзора, т.к. для получения снимка в том же масштабе приходится менять другие параметры (фокусное расстояние, расстояние до объекта съемки).

Чем больше матрица, тем:

• Менее шумное изображение. Физики скажут, что чем больше света попадает на фиксирующую его поверхность, тем меньше нагрев, меньше погрешность при квантовании и, следовательно, меньше влияние постороннего шума. Изображение при одних и тех же условиях получается более «чистым» и детализированным. Конечное изображение будет содержать меньше лишней информации, вызванной «помехами». Теперь более практичное определение. При равном количестве пикселей и одинаковой технологии чем больше матрица, тем меньше шума будет на снимке при съемке с недостаточным освещением. Попросту говоря, на фотографии будет меньше посторонних точек, мешающих просмотру. Например, намереваясь снимать с рук сумеречные портреты, предпочтительно обладать камерой с матрицей большого размера.Чем меньше матрица, тем меньше изолирующие элементы между пикселями. По этой причине возникает повышенный нагрев, что в электронике всегда плохо, ухудшается соотношение сигнал/шум и количество шума на получаемом изображении растет в сравнении с моделями, обладающими большими матрицами. Давайте посмотрим на пример:
  Слева условно изображение, получаемое с камеры с большей матрицей, справа – с меньшей. Условия съемки одни и те же. Увеличьте изображение. Достаточно посмотреть на небо. Разница может варьироваться, но тенденция сохранится (при условии, что матрицы схожи по технологиям и поколениям). На практике шум отлично просматривается в светах, и, вытягивая тени на одну и ту же величину, на камере с большей матрицей вы сможете получить более чистую картинку. Под вытягиванием понимается увеличение экспозиции в редакторе, в данном случае в тенях – в них начинают проявляться детали. Если вы предпочитаете следующие жанры: вечерние/ночные пейзажи, портреты в режимное время, когда света не очень много, динамичную репортажную съемку, обратите внимание на уровень шума матрицы выбранной камеры. По размеру желательно выбирать камеры с матрицами, начиная от APS-C формата.
• Шире динамический диапазон (об этом далее в статье).
• Больше глубина цвета . Глубина цвета — показатель, определяющий, насколько мелкие цветовые изменения может различить камера. Т.е. при большей глубине цвета незначительные переходы в полутонах будут смотреться более естественно и близко к видимому глазом. Будет записано больше информации о полутонах. Это проявляется, например, на почти однотонных пейзажах.
• Больше камера. Непреложный факт – если вы хотите снимать на камеру с большей матрицей, придется мириться с ее увеличенными размерами. Взглянув на рынок фотоаппаратов, становится понятно, что не существует, например, небольших полнокадровых камер, хоть и пытаются такие сделать. А мобильная фотография ограничена размером сенсора.
• Больше угол обзора можем получить при прочих равных условиях .
  Размер матрицы не влияет на угол обзора!!! Перспектива, получаемая на одном и том же объективе, установленном на разных камерах будет отличаться. Но при одинаковом ЭФР (эквивалентном фокусном расстоянии) изображение будет примерно одинаковым. Если вам понятия перспективы и ЭФР мало о чем говорят, ничего страшного, просто читайте дальше, рассказываю важную суть «на пальцах». Если взять один и тот же объектив, то, снимая на фотоаппарат с матрицей большего размера, вы получите более широкий обзор. Примем приближение объектов при съемке на фотоаппарат с большей матрицей за 100%. Тогда этот же объектив на меньшей матрице обеспечит приближение >100% (приближение будет кратно уменьшению размера матрицы). Такой же эффект можно смоделировать, вырезав из фотографии (снятой на большую матрицу) часть кадра и растянув его до исходного размера. Иными словами, мальчик, которого сфотографировали на 35 мм объектив на камеру с APS-C матрицей (посмотрите таблицу размеров матриц), будет ближе, чем этот же мальчик, сфотографированный на такой же объектив, но на полнокадровую матрицу (FF). Солнце на горизонте, снятое на матрицу меньшего размера, будет «расположено ближе» к нам:
  
• Меньше ГРИП можно получить при прочих равных условиях . Это еще один интересный аспект, который вводит фотографов в заблуждение и требует рассмотрения. Забегая наперед, ГРИП (глубина резко изображаемого пространства) определяет, на каком расстоянии от точки фокусировки объекты будут находиться в зоне резкости. Размер матрицы не влияет на ГРИП!!! Но, чтобы на разных камерах при одинаковых фокусных расстояниях масштаб изображения был одинаковым, на камерах с меньшими матрицами придется отойти подальше либо изменить фокусное расстояние, что в свою очередь уже как раз влияет на ГРИП, увеличивая его. Поэтому на камерах с большими матрицами проще получать «размытые» фотографии.

Это не все, но основные моменты, критичные для фотографа, на которые прямо или косвенно влияет размер матрицы фотоаппарата и которые для себя нужно четко уяснить.

Тип матрицы

Определяет принцип, по которому работает матрица. Существовало две основных технологии:

• CMOS (КМОП – комплементарная логика на транзисторах);
• CCD (ПЗС – прибор с зарядовой связью).

Матрицы, основанные на обеих технологиях, накапливают свет. Только в первой мельчайшим структурным элементом является диод, во второй – транзистор.

Что касается качества изображения, то во времена широкого распространения обеих технологий считалось, что CCD матрицы обладали более приятным, «ламповым» цветом, в то же время CMOS меньше шумели, но структура шума отличалась.

На сегодняшний день абсолютное большинство камер комплектуется матрицами CMOS типа, как менее шумными и более энергосберегающими. Поэтому вопрос выбора по этому параметру не стоит. Это лишь памятка при использовании устаревших камер.

Чувствительность матрицы. ISO

От чувствительности матрицы зависит соотношение выбранной экспозиции и параметров изображения на выходе. Попросту говоря, чем больше вы устанавливаете чувствительность (меняется в настройках камеры), тем менее освещенные элементы вы сможете зарегистрировать. Но при этом будут расти шумы. За эквивалентный параметр чувствительности принят параметр ISO. Начинается от 50 – это минимальная чувствительность, на которой изображение, насколько возможно, чистое и неподверженное шумовому разрушению. Шаг изменения формируется умножением на 2. Т.е. следующая чувствительность ISO – 100, далее 200, 400, 800, 1600, 3200, 6400… Конечно же, камеры снимают и на промежуточных значениях, например, 546. Но для удобства шагов в стопах принято считать, как описал выше. Про ISO, стопы и прочее сейчас особо не беспокойтесь.

Важно понять, что, снимая один и тот же сюжет (например, дерево в сумерках), при повышении ISO его яркость увеличится. Картинка будет казаться светлее. Также важно понять, что на камере с большей матрицей при одинаковом ISO шумов будет меньше.

Далее для тех, кто хочет знать больше. Есть такое понятие – EI (exposure index). Он определяет соотношение между сигналом, передаваемым с матрицы и параметрами его преобразования в цветовое пространство. Что он позволяет? При одних и тех же настройках экспозиции мы имеем возможность получить изображение различной яркости.

Поступая на матрицу, свет формирует сигнал (выходное напряжение), который в АЦП конвертируется в цветовое пространство. Наиболее распространенное – sRGB. При этом происходит его усиление. Если сигнал слабый, нужно его усилить больше. EI становится другим. Камеры предустанавливают заданный диапазон значений EI, который для упрощения называется ISO. Пошло с пленочного мира и сейчас используется для удобства. Диапазон зависит от возможностей матрицы. Например, на старых зеркалках не было возможности установить ISO 6400 просто из тех соображений, что при такой чувствительности качество изображения из-за шумов станет неприемлемым. Далее про усиление слабого сигнала.

Соотношение сигнал/шум

Следующая характеристика матрицы, неразрывно связанная с чувствительностью – соотношение сигнал/шум. Думаю, суть вам уже ясна. Выражаясь простым языком, это соотношение определяет, сколько полезного сигнала (света от снимаемого вами объекта) и шума будет содержаться в конечном изображении.

Выше мы говорили о том, что при попадании света на матрицу ее фотоэлементы генерируют сигналы в виде выходящего напряжения. Допустим, получается напряжение 0,2 В. Пусть это, к примеру, соответствует чистому зеленому цвету согласно sRGB пространству при ISO 200. Прикрывая диафрагму или делая короче выдержку, мы уменьшаем попадаемый на матрицу световой поток. Напряжение на матрице станет не 0,2, а 0,1 В (для примера, конечно). Что при заданном ISO 200 будет соответствовать не чистому зеленому цвету, а более темному зеленому с грязноватыми примесями. Если мы выставим на камере ISO 400, то напряжение автоматически поднимется до 0,2 В, и мы получим изначальный чистый зеленый цвет.

НО! При этом на матрице формируется плохая составляющая в виде шума, который при базовом ISO не заметен. Но, усиливая сигнал, мы также усиливаем и шум. В разумных пределах это допустимо и не критично. Важно понимать ту грань, когда последующее увеличение чувствительности и, соответственно, соотношения сигнал/шум ведет к неприемлемым результатам.

Допустим, вы снимаете друзей для публикации личных фотографий в социальные сети. Они не слишком заморачиваются безукоризненным качеством фотографий и хотят получить классные эмоции, яркие и приятные снимки. В таком случае небольшой или даже значительный шум, корректируемый в редакторе, не станет проблемой. Но, если вы фотографируете пейзаж и желаете его потом распечатать размером 30×40 см или больше, то лучше изначально выставлять минимально возможное ISO. В принципе, при съемке пейзажей придерживайтесь правила изначальной установки минимального ISO. Просто поставили его и забыли, дальше работайте с остальными параметрами.

Сигнал/шум также зависит от размера пикселя. Поэтому переходим к следующему параметру.

Разрешение матрицы

Популярный параметр, который до сих пор в некоторых магазинах применяется в качестве основного.

В технической документации можно увидеть, например, 6000 x 4000. Это значит, что по ширине расположено 6000 фотоэлементов, фиксирующих свет, а по высоте – 4000. Перемножив, получим общее количество фотоэлементов (пикселей) на матрице – 24000000. Для читабельности пишут 24 МП. Размерность – мегапиксели. Приставка «мега» соответствует степени 10 в 6й степени.

Больше мегапикселей не равно лучше

Современные камеры обычно комплектуются матрицами от 16 МП и выше. Но сейчас не редкость и 36 МП, и 42 МП. Встречаются модели и с большим разрешением. В этом и заключается традиционная маркетинговая уловка, на которую раньше, да и сейчас тоже, «ловят» покупателей, предлагая приобрести камеры с высоким разрешением, «забывая» о сопутствующих подвохах и вообще не интересуясь целями покупателя. А мы копнем чуть глубже и поинтересуемся размером пикселя.

Физический размер пикселя – очень важная характеристика, измеряется в мм или мкм. Если пиксель больше, то он сможет собрать больше света, и соотношение сигнал/шум будет выше со всеми вытекающими последствиями. Т.е. такая матрица при прочих равных будет шуметь меньше.

Определить очень просто. Возьмем матрицу популярного APS-C формата с разрешением 24 МП, что соответствует физическому размеру примерно 23.6 x 15.8 мм. Разрешение в пикселях ­– 6000 x 4000. Значит, по длинной стороне 6000 точек нашего выходного изображения формируется на 23.6 мм. Делим физическое расстояние на количество точек и получаем размер пикселя, составляющий примерно 0.004 мм. Если матрица такого же поколения, аналогичной структуры и физического размера обладает большим разрешением, то размер пикселя будет меньше, что увеличит нагрев и шумы. Говорят, нагрев примерно на 8 градусов ведет к двукратному росту шумов.

Практические особенности размера пикселя:

1. Шумы. Как неоднократно рассматривали, при прочих равных меньше пиксель = больше шумы.
2. Увеличенная шевеленка. Меньший пиксель более чувствителен к дрожанию рук и смещению камеры по отношению к снимаемому объекту. Представьте, будто пиксель по размеру соответствует теннисному мячу, а вы снимаете кота. Пиксель в виде теннисного мяча фиксирует свет, соответствующий темному пятну на шерсти кота. Если вы немного пошевелите матрицу с такими пикселями, то на этот пиксель вероятнее всего будет попадать свет от этого же темного пятна. Смещение не вызовет глобальных проблем в изображении. Предположим, что снимаем этого же кота на камеру с матрицей, обладающей маленькими пикселями, и на определенный пиксель попадает ворсинка пятна кота. Немного сместив камеру, получится, что пиксель будет фиксировать другую ворсинку.Таким образом, детализация растет, но изображение становится смазанным. Для определенных целей это подходит лучше, но требует больших навыков от фотографа и имеет свои особенности при съемке отдельных жанров.
3. Повышенные требования к объективу. Меньший физический размер пикселя говорит о том, что для получения детализированной фотографии разрешающая способность объектива должна быть выше. Объектив тоже имеет разрешающую способность, и на каждый миллиметр матрицы он может спроецировать ограниченное количество точек. Большей разрешающей способностью обладают более дорогие объективы. При этом, если разрешающая способность объектива ниже таковой у матрицы, то изображение будет недостаточно детализированным. Говорят, что «матрица не раскроется». По факту система не сбалансирована и результат будет, как на более дешевой, но сбалансированной технике.Разрешающая способность фотоаппарата, как целостной системы, не превышает разрешающей способности каждого из компонентов (матрицы или объектива). В идеале, их разрешающая способность должна быть примерно равна. Но практика, как обычно, вносит массу корректив.
4. Больше разрешение – мощнее компьютерное железо. Чем больше разрешение, тем большие требования предъявляются к компьютеру при обработке. Если вы желаете получить хорошие результаты и даже не снимаете в RAW (советую все-таки перейти к RAW’у), то вам все равно придется «вертеть» изображение в Photoshop’е или другом редакторе. А при разрешении 24 МП, 36 МП или выше это может быть проблемой. Даже если небольшие правки вносятся достаточно шустро, то небольшие задержки на большом фотосете будут раздражать и сильно красть время.

Динамический диапазон матрицы

Динамический диапазон (сокращенно ДД) определяет максимальный яркостной диапазон снимка.

Каждый пиксель обладает своей яркостью. Для упрощения будем рассматривать яркость отдельных участков кадра, например, неба. Допустим, вы снимаете городской пейзаж в яркий солнечный день, и в кадр попадает яркое небо и очень темные здания. Если вы экспонируете кадр (определяете экспозицию) по небу, то на выходе получается хорошо проработанное небо и темные или почти черные здания. Наоборот, экспонируя по зданиям, получаем их нормальную яркость, но при этом неба совершенно нет, вместо него белое пятно. Сталкивались с такой ситуацией? Думаю, наверняка.

Так вот динамический диапазон как раз определяет то, насколько широкий яркостной участок сможет охватить камера без потерь информации в самых светлых и самых темных частях кадра.

Динамический диапазон – это неизменная характеристика матрицы, зависящая от технологии производства. Мы можем лишь сузить его, установив большое значение чувствительности ISO, что, как вы понимаете, нежелательно.

На этой фотографии внизу достаточно темные участки, а вверху – яркие солнечные лучи, и съемка ведется в контровом свете, против солнца. Это заведомо тяжелые для камеры условия, создается слишком высокий контраст.

А вот еще более яркий пример с выбитым небом. Фактически классика, такого в папках многих людей предостаточно, и с этим нужно что-то делать.

Недостаточный динамический диапазон матрицы

В таком случае говорят, что снимаемая сцена не укладывается в динамический диапазон камеры. И нужно прибегать либо к перекомпоновке кадра, чтобы снизить контраст сцены, либо к использованию художественных приемов, обыгрывая недостатки техники, либо использовать технику его расширения (HDR). Вы резонно спросите: «Но ведь мы же видим одновременно и голубое небо, и темные детали. Как же так?». Сей факт можно отнести к несовершенству техники. Динамический диапазон глаза превышает диапазон камеры где-то в 2 раза.

Резюмируем

Сразу хочу развеять ваши сомнения. Цель этой статьи — заложить у вас понимание, что и как работает. Не расстраивайтесь, если многое непонятно — главное, создать «полочки» в вашей голове, структуру, а потом по мере надобности заполнять их информацией. Но материал, безусловно, важен и является костяком для понимания фотографии. Поэтому, если совсем ничего непонятно, перечитайте еще раз либо вернитесь к нему позднее. И специально для вас сделаю краткую выдержку из того, что желательно отложить у себя в голове:

1. Матрица – это один из важнейших элементов в камере, который фиксирует свет, превращая его в электрические сигналы. Не может быть заменена в камере. Является аналогом пленки в пленочных фотоаппаратах.
2. Процесс получения снимка, когда открыт затвор, называется экспонированием.
3. Матрица имеет множество характеристик. Размер – одна из важнейших, по нему косвенно можно предполагать остальные параметры. Как класс автомобиля – от седана B-класса не ждешь огромного пространства, как в седане E-класса, каким бы продвинутым и дорогим он ни был.
4. Выбирая камеру с тем или иным размером матрицы, стоит понимать ее достоинства и недостатки и быть готовым ими пользоваться. Маленькая матрица больше всего страдает в условиях, когда света недостаточно. Если планируете развиваться в сфере фотографии и вам это действительно нравится, советую обратить внимание на формат Micro 4/3 или остановиться на APS-C варианте.
5. Качественная матрица — залог хорошего изображения. При выборе камеры нужно начинать с нее. С другой стороны, в крайности бросаться тоже не нужно – дорогая полнокадровая камера с дешевым объективом вряд ли принесет хороший результат. Точнее, он будет хуже, чем мог бы быть. Но сегодня камеру с откровенно плохой матрицей нужно поискать.
6. Не гонитесь за высоким разрешением. Даже минимального в современных камерах будет за глаза.
7. Вообще по приоритету, что важно для получения качественного изображения, . Рекомендую прочесть, если еще не читали. Если у вас сложилось впечатление превосходства технических параметров над творчеством, эта статья покажет вам обратное, подводя к мысли, что важен баланс. Возможно смещение в творческую сторону. Но смещение в сторону технофильства ни к чему хорошему в плане результатов не приводит.

И конечно же, я к вашим услугам! На все возможные вопросы в рамках моей компетенции всегда готов ответить в комментариях.

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.

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 .

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».

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 , чтобы затемнить блики и, тем самым, сохранить в них детали.

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 .

Настраиваем фотоаппарат на широкий динамический диапазон

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.

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».

Дата публикации: 23.06.2015

Вместо красивого неба на закатном снимке получилось белое пятно? А может, наоборот, закат запечатлеть удалось, но внизу лишь чёрный фон? Сфотографировали человека напротив окна, а за ним в кадре образовалась белая пелена? Пришло время разобраться, откуда берутся такие ошибки и как их исправить!

Наверняка вы замечали, что иногда в кадре бывает очень сложно показать и яркое солнце, и тёмные детали: либо небо получается пересвеченным, либо нижняя часть кадра становится слишком тёмной. Почему так происходит? Дело в том, что фотоаппарат способен воспринимать ограниченный диапазон яркости. Речь идёт о динамическом диапазоне. Во времена фотоплёнки это понятие именовалось «фотографической широтой».

NIKON D810 / 18.0-35.0 mm f/3.5-4.5 УСТАНОВКИ: ISO 100, F14, 25 с, 22.0 мм экв.

NIKON D810 / 18.0-35.0 mm f/3.5-4.5 УСТАНОВКИ: ISO 31, F20, 6 с, 22.0 мм экв.

Когда чаще всего ощущается нехватка динамического диапазона?

На практике фотограф постоянно сталкиваться с проблемой недостаточного динамического диапазона. Прежде всего, она будет заметна при съёмке контрастных сцен.

Классический пример - съёмка на закате. Не так просто будет запечатлеть и яркое солнце, и затенённые участки внизу кадра, землю. Нехватка диапазона также ощущается при фотографировании в контровом свете (например, если вы снимаете в помещении напротив окна).

Все области, не вошедшие в динамический диапазон, на снимке получаются или слишком светлыми, или тёмными, лишаются всех деталей. Это, конечно, ведёт к потере качества снимка, техническому браку.

Несколько примеров сюжетов с широким динамическим диапазоном:

Что такое динамический диапазон фотоаппарата? Как его измерить?

Итак, динамический диапазон (ДД) - это характеристика фотокамеры, отвечающая за то, какой диапазон яркости она сможет показать на одном кадре. Обычно производители не указывают этот параметр в технических характеристиках фотоаппарата. Тем не менее, его можно измерить, посмотрев, сколько деталей в тёмных и светлых участках кадра сможет передать та или иная камера.

Сравните: камера смартфона имеет узкий динамический диапазон, а зеркальная фотокамера Nikon D810 - широкий.

Кроме того, существуют специальные лаборатории, измеряющие характеристики фотокамер. Например, DXOmark , в базе данных которой очень много протестированных фотокамер. Отметим, что специфика тестирования этой лаборатории такова, что измеряется динамический диапазон на минимальных значениях ISO. Так что, при повышенных значениях ISO, картина может несколько измениться.

Динамический диапазон измеряют в ступенях экспозиции (EV). Чем больше ступеней экспозиции камера может отобразить на фотографии, тем шире её динамический диапазон. Например, фотокамера Nikon D7200 имеет динамический диапазон 14,6 EV (по данным DXOmark). Это прекрасный результат, однако, стоит отметить, что в целом динамический диапазон обычно выше у фотокамер с полнокадровыми матрицами, таких как Nikon D610, Nikon D750, Nikon D810. А вот динамический диапазон компактных фотокамер может быть всего 10 EV, у смартфонов - и того меньше.

Отметим, что потенциал зеркальных камер (в том числе их динамический диапазон) можно оценить только при работе с RAW-файлами . Ведь на JPEG-снимках будут сказываться многие внутрикамерные настройки. Например, камера может сильно повышать контраст снимков, сужая динамический диапазон. С другой стороны, многие фотоаппараты умеют искусственно расширять его при съёмке в JPEG, но об этом чуть позже.

Как загубить динамический диапазон на фото? Типичные ошибки

Даже если камера обладает широким динамическим диапазоном, это не гарантирует, что на фотографиях будут отображены все детали в тёмных и ярких участках. Рассмотрим основные ошибки фотографов, ведущие к значительному снижению динамического диапазона и плохой проработке деталей.

• Ошибки экспозиции . Ошибки экспозиции всегда чреваты тем, что на фото будут появляться либо пересвеченные, либо «выбитые в чёрное» области. Загубленный некорректной экспозицией кадр не спасёт даже широкий динамический диапазон.

Рассмотрим пример пересвеченного кадра:

Теоретически, динамического диапазона камеры для этого сюжета должно было хватить, но произошла потеря деталей в светлых участках кадра (на небе) из-за неправильно настроенной экспозиции. Кадр получился слишком ярким.

Обратная ситуация - кадр недоэкспонированный, тёмный.

На этот раз детали потерялись в тёмных участках кадра.

• Ошибки при обработке . Грубая обработка фотографий на компьютере или применение фильтров внутрикамерной обработки изображения способны очень сильно сузить динамический диапазон на ваших кадрах. Поэтому не злоупотребляйте излишним повышением контраста, работой с насыщенностью цветов, коррекцией экспозиции и т.п.

Укладываемся в динамический диапазон

Часто даже при съёмке сложных сюжетов с большим перепадом яркости можно не прибегать ни к каким сложным ухищрениям для расширения динамического диапазона. Нужно просто грамотно использовать то, что может дать фотокамера.

• Выбирайте подходящие условия для съёмки . Чтобы получать качественные кадры, нужно выбирать подходящие условия освещения. Зачастую фотограф сам себя загоняет в такие условия, в которых практически невозможно сделать качественный снимок. Вместо того чтобы пытаться запечатлеть слишком контрастный сюжет, стоит подумать: возможно, лучше выбрать другой ракурс, другое время для съёмки или освещение. К примеру, закатное небо по яркости сбалансируется с землёй после захода. Кстати, не всегда стоит брать в кадр солнце. Подумайте, можно ли обойтись без него. Так вам удастся избежать лишних пересветов. Это относится и к съёмке портретов напротив окна. Достаточно сделать пару шагов от окна и снимать сбоку от него - яркое окно не получится пересвеченным, а на вашу модель будет падать красивое боковое освещение.

Динамический диапазон -- это отношение максимального допустимого значения измеряемой величины (яркости по каждому из каналов) к минимальному значению (уровню шумов). В фотографии динамический диапазон принято измерять в единицах экспозиции (шаг, стоп, EV), т.е. логарифмом по основанию 2, реже - десятичным логарифмом (обозначается буквой D). 1EV = 0,3D. Изредка используют и линейное обозначение, например 1:1000, что равно 3D или почти 10EV.

Характеристика «динамический диапазон» также используется для форматов файлов , используемых для записи фотографий . В этом случае он назначается авторами конкретного формата файла, исходя из тех целей, для которых этот формат будет использоваться. Например, ДД

Термином «динамический диапазон» иногда неверно называют любое отношение яркостей в фотографии:

• отношение яркостей самых светлых и тёмных объектов съемки
• максимальное отношение яркостей белого и чёрного цветов на мониторе/фотобумаге (верный английский термин contrast ratio)
• диапазон оптических плотностей плёнки
• другие, ещё более экзотические варианты

Динамический диапазон современных цифровых фотоаппаратов на начало 2008 года составляет от 7-8 EV у компактных камер до 10-12 EV у цифровых зеркальных камер (см. тесты современных камер на http://dpreview.com). При этом необходимо помнить, что матрица передает объекты съёмки с разным качеством, детали в тенях искажаются шумами , в светах - передаются очень хорошо. Максимальный ДД зеркалок доступен только при съемке в RAW , при конвертации в JPEG камера обрезает детали, сокращая диапазон до 7,5-8,5EV (в зависимости от настроек контраста камеры).

Динамический диапазон файлов и матриц фотоаппаратов часто путают с количеством бит , используемых для записи информации, однако прямой связи между этими величинами нет. Поэтому, например, ДД Radiance HDR (32 бита на пиксель) больше, чем 16-битного RGB (фотоширота), показывающая тот диапазон яркостей, который пленка может передать без искажений, с равным контрастом (диапазон яркостей линейной части характеристической кривой плёнки). Полный ДД плёнки обычно несколько шире фотошироты и виден на графике характеристической кривой плёнки.

Фотоширота слайда составляет 5-6EV, профессионального негатива - около 9EV, любительского негатива - 10EV, киноплёнки - до 14EV.

Расширение динамического диапазона

Динамического диапазона современных камер и пленок недостаточно для того, чтобы передать любой сюжет окружающего мира. Особенно это заметно при съемке на слайд или компактную цифровую камеру, которые зачастую не могут передать даже яркий дневной пейзаж в средней полосе России , если там есть объекты в тени (а диапазон яркостей ночного сюжета с искусственным освещением и глубокими тенями может доходить до 20EV). Эта проблема решается двумя путями:

• увеличение динамического диапазона камер (видеокамеры для систем наблюдения имеют заметно больший динамический диапазон, чем фотокамеры, однако это достигается путем ухудшения других характеристик камеры; каждый год выходят новые модели профессиональных камер с лучшими характеристиками, при этом их динамический диапазон медленно растет)
• комбинирование изображений, снятых с разной экспозицией (технология HDR в фотографии), в результате которого возникает единое изображение, содержащее все детали из всех исходных изображений, как в крайних тенях, так и в максимальных светах.

Файл:HDRIexample.jpg

HDRi фотография и три снимка, из которых она собрана

Оба пути требуют решения двух проблем:

• Выбор формата файла, в который можно записать изображение с расширенным диапазоном яркостей (обычные 8-битные sRGB файлы для этого не подходят). На сегодня самыми популярным форматами являются Radiance HDR, Open EXR, а так же Microsoft HD Photo , Adobe Photoshop PSD , RAW -файлы зеркальных цифровых камер с большим динамическим диапазоном.
• Отображение фотографии с большим диапазоном яркостей на мониторах и фотобумаге , имеющих существенно меньший максимальный диапазон яркостей (contrast ratio). Данная проблема решается с помощью одного из двух методов:
  • тональная компрессия, при которой большой диапазон яркостей уменьшается в небольшой диапазон бумаги, монитора или 8-битного sRGB-файла путем уменьшения контраста всего изображения, единым образом для всех пикселей изображения;
  • тональное отображение (tone mapping, тонмаппинг), при котором производится нелинейное изменение яркостей пикселей, на разную величину для разных областей изображения, при этом сохраняется (или даже увеличивается) оригинальный контраст, однако тени могут выглядеть неестественно светлыми, и на фотографии могут появиться ореолы на границах областей с разным изменением яркости.

Тонмаппинг также может использоваться и для обработки изображений с небольшим диапазоном яркостей для повышения локального контраста.

Из-за способности тонмаппинга выдавать «фантастические» картинки в стиле компьютерных игр, и массового представления таких фотографий с вывеской «HDR» (даже полученных из одного изображения с небольшим диапазоном яркостей) у большинства профессиональных фотографов и опытных любителей выработалось стойкое отвращение к технологии расширения динамического диапазона из-за неверного мнения о том, что она нужна для получения таких картинок (приведенный выше пример показывает использование методов HDR для получения нормального реалистического изображения).

См. также

Ссылки

• Определения основных понятий:
  • БСЭ, статья «фотографическая широта»
  • Горохов П. К. «Толковый словарь по радиоэлектронике. Основные термины» - М.: Рус. яз., 1993
• Фотоширота пленок и ДД фотоаппаратов
  • http://www.kodak.com/global/en/professional/support/techPubs/e4035/e4035.jhtml?id=0.2.26.14.7.16.12.4&lc=en
• Форматы файлов:

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Динамический диапазон в фотографии" в других словарях:

Динамический диапазон: Динамический диапазон (техника) характеристика устройства или системы, предназначенной для преобразования, передачи или хранения некой величины (мощности, силы, напряжения, звукового давления, представляющая логарифм… … Википедия

Динамический диапазон характеристика устройства или системы, предназначенной для преобразования, передачи или хранения некой величины (мощности, силы, напряжения, звукового давления и т. д.), представляющая логарифм отношения максимального и… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Динамический диапазон. Динамический диапазон характеристика устройства или системы, предназначенной для преобразования, передачи или хранения некой величины (мощности, силы, напряжения, звукового… … Википедия

Фотографическая широта характеристика светочувствительного материала (фотоплёнки, передающей телевизионной трубки, матрицы) в фотографии, телевидении и кино. Определяет способность светочувствительного материала правильно передавать яркость… … Википедия

Контраст в наиболее общем смысле, любая значимая или заметная разница (например, «Россия страна контрастов…», «контраст впечатлений», «контраст вкуса пельменей и бульона вокруг них»), не обязательно измеряемая количественно. Контрастность степень … Википедия

Для улучшения этой статьи желательно?: Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. HDR. High Dynamic Range Imaging, HDRI или просто HDR общее название технологий работы с изображениями и видео, диапазон яркости которых превышает возможности стандартных технологий. Чаще… … Википедия

Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей … Википедия

В Википедии есть п … Википедия

- (лат. redactus приведённый в порядок) изменение оригинала изображения классическими или цифровыми методами. Также может обозначаться термином ретуширование, ретушь (фр. retoucher подрисовывать, подправлять). Целью редактирования… … Википедия

16 ноября 2009 года

Видеокамеры с широким динамическим диапазоном

Видеокамеры с широким динамическим диапазоном (WDR) предназначены для обеспечения качественного изображения при встречной засветке и наличии в кадре как очень ярких, так и очень темных областей и деталей. При этом яркие области не насыщаются, а темные не отображаются слишком темными. Такие камеры обычно рекомендуются для организации наблюдения за объектом, находящимся напротив окон, в освещенном сзади проеме двери или ворот, а также при большом контрасте объектов.

Динамический диапазон видеокамеры обычно определяется как отношение самого яркого фрагмента изображения к самому темному фрагменту того же самого изображения, то есть в пределах одного кадра. Это отношение по-другому называется максимальным контрастом изображения.

Проблема динамического диапазона

К сожалению, реальный динамический диапазон видеокамер строго ограничен. Он существенно у"же динамического диапазона большинства реальных объектов, ландшафтов и даже сцен кино и фотографии. Кроме того, условия применения видеокамер наблюдения в части освещения зачастую далеки от оптимальных. Так, интересующие нас объекты могут быть расположены на фоне ярко освещенных стен и предметов или встречного (контро-вого) света. В этом случае объекты или их детали на изображении будут слишком темными, так как видеокамера автоматически адаптируется к высокой средней яркости кадра. В некоторых ситуациях на наблюдаемой "картинке" могут иметь место яркие пятна со слишком большими градациями яркости, которые трудно передаются стандартными камерами. Например, обычная улица при солнечном освещении и с тенями от домов имеет контраст от 300:1 до 500:1, для темных пролетов арок или ворот с освещенным солнцем фоном контраст достигает 10 000:1, внутренность темной комнаты против окон имеет контраст до 100 000:1.

Ширина результирующего динамического диапазона ограничивается несколькими факторами: диапазонами самого датчика (фотоприемника), обрабатывающего процессора (DSP) и дисплея (видеоконтрольного устройства). Типовые CCD (ПЗС-матрицы) имеют максимальный контраст не более 1000:1 (60 дБ) по интенсивности. Самый темный сигнал ограничен тепловым шумом или "темновым током" датчика. Самый яркий сигнал ограничен суммой заряда, который может быть накоплен в отдельном пикселе. Обычно CCD построены так, что этот заряд составляет приблизительно 1000 темновых зарядов, обусловленных температурой CCD.

Динамический диапазон может быть существенно увеличен для специального применения камер, например для научных или астрономических исследований, путем охлаждения CCD и применения специальных систем считывания и обработки. Однако такие методы, будучи очень дорогими, не могут использоваться широко.

Как указывалось выше, множество задач требует размера динамического диапазона 65-75 дБ (1:1800-1:5600), поэтому при отображении сцены даже с диапазоном в 60 дБ детали в темных областях потеряются в шуме, а детали в ярких областях — из-за насыщения, либо диапазон будет обрезан сразу с двух сторон. Системы считывания, аналоговые усилители и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) для видеосигнала в режиме реального времени ограничивают сигнал CCD до динамического диапазона в 8 бит (48 дБ). Такой диапазон может быть расширен до 10-14 бит за счет использования соответствующих АЦП и обработки аналогового сигнала. Однако зачастую это решение оказывается непрактичным.

Другой альтернативный тип схемы использует нелинейное преобразование в виде логарифмической функции или ее аппроксимации для сжатия 60 дБ выходного сигнала CCD до диапазона в 8 бит. Обычно такие методы подавляют детали изображения.

Последний (указанный выше) фактор ограничения — вывод картинки на дисплей. Динамический диапазон для нормального CRT-монитора, работающего в освещенной комнате, составляет около 100 (40 дБ). LCD-монитор еще более "ограничен". Сигнал, сформированный видеотрактом и даже ограниченный до контраста 1:200, будет уменьшен в динамическом диапазоне при показе. Чтобы оптимизировать показ, пользователь часто должен регулировать контраст и яркость монитора. И если он хочет получить изображение с максимальным контрастом, придется пожертвовать частью динамического диапазона.

Типовые решения

Имеются два основных технологических решения, которые используются, чтобы обеспечить видеокамеры расширенным динамическим диапазоном:

• множественное отображение кадра — видеокамера захватывает несколько полных изображений или его отдельных областей. При этом каждая "картинка" отображает различную область динамического диапазона. После чего камера объединяет эти различные изображения, чтобы воспроизвести единое изображение с расширенным динамическим диапазоном (WDR);
• использование нелинейных, обычно логарифмических, датчиков — в этом случае степень чувствительности при различных уровнях освещения различна, что позволяет обеспечить широкий динамический диапазон яркости изображения в одном кадре.

Применяются разные комбинации этих двух технологий, но наиболее распространенная — первая.

Для получения одного оптимального изображения из нескольких используется 2 метода:

• параллельное отображение двумя или более датчиками изображения, сформированного общей оптической системой. В этом случае каждый датчик захватывает различную часть динамического диапазона сцены за счет различного времени экспонирования (накопления), различного оптического ослабления в индивидуальном оптическом тракте или за счет использования датчиков различной чувствительности;
• последовательное отображение изображения единственным датчиком с различными временами экспонирования (накопления). В крайнем случае производится по крайней мере два отображения: одно с максимальным, а другое — с более коротким временем накопления.

Последовательное отображение, как наиболее простое решение, обычно используется в промышленности. Длительное накопление обеспечивает видимость наиболее темных частей объекта, однако самые яркие фрагменты могут не прорабатываться и даже приводить к насыщению фотоприемника. Картинка, получаемая с малым накоплением, адекватно отображает светлые фрагменты изображения, не прорабатывая темные области, находящиеся на уровне шума. Сигнальный процессор изображения камеры объединяет обе картинки, беря яркие части от "короткой", а темные части от "длительной" картинки. Алгоритм комбинации, позволяющий создавать гладкое изображение без шва, достаточно сложен, и мы не будем здесь его касаться.

Первыми представила концепцию объединения двух цифровых изображений, полученных при разном времени накопления, в единое изображение с широким динамическим диапазоном группа разработчиков во главе с профессором И.И. Зиви из компании "Tech-nion", Израиль. В 1988 г. концепция была запатентована ("Камера широкого динамического диапазона" Y.Y. Zeevi, R. Ginosar и O. Hilsenrath), а в 1993 г. ее применили при создании коммерческой медицинской видеокамеры.

Современные технические решения

В современных камерах для расширения динамического диапазона на основе получения двух изображений в основном применяются матрицы Sony двойного сканирования (Double Scan CCD) ICX 212 (NTSC), ICX213 (PAL) и специальные процессоры для обработки изображения, например SS-2WD или SS-3WD. Примечательно, что такие матрицы невозможно обнаружить в ассортименте SONY и не все производители указывают на их использование. На рис. 1 схематически представлен принцип двойного накопления. Время указано по формату NTSC.

Из диаграмм видно, что если типовая камера накапливает поле 1/60 с (PAL-1/50 с), то камера WDR составляет поле из двух изображений, полученных путем накопления, за 1/120 с (PAL-1/100 с) для мало освещенных деталей и за период от 1/120 до 1/4000 с для сильно освещенных деталей. На фото 1 представлены кадры с разным экспонированием и результат суммирования (обработки) режима WDR.

Эта технология позволяет "довести" динамический диапазон до 60-65 дБ. К сожалению, числовые значения WDR, как правило, приводятся только производителями верхней ценовой категории, остальные же ограничиваются информацией о наличии функции. Имеющаяся регулировка градуирована обычно в относительных единицах. На фото 2 представлен пример сравнительной отработки типовой и камерой WDR встречного света от стеклянной витрины и дверей. Встречаются модели телекамер, в документации на которые указано, что они работают в режиме WDR, но нет упоминания о требуемой специальной элементной базе. В этом случае, естественно, может возникать вопрос, является ли заявленный режим WDR таким, каким мы ожидаем? Вопрос справедлив, поскольку даже в сотовых телефонах уже применяется режим авторегулирования яркости изображения встроенного фотоаппарата, называемый WDR. С другой стороны, встречаются модели с заявленным режимом расширения динамического диапазона, названным как Easy Wide-D или EDR, которые работают с типовыми CCD. Если в данном случае указывается величина расширения, то она не превышает 20-26 дБ. Одним из способов расширения динамического диапазона является применяемая сейчас компанией Panasonic технология Super Dinamic III. Она также основана на двойном экспонировании кадра за 1/60 с (1/50С-PAL) и 1/8000 с (с последующим анализом гистограмм, разделением картинки на четыре варианта с различной гамма-коррекцией и их интеллектуальным суммированием в DSP). На рис. 2 представлена обобщенная структура этой технологии. Подобная система расширяет динамический диапазон до 128 раз (на 42 дБ).

Наиболее перспективной технологией расширения динамического диапазона телекамеры на сегодня является технология Digital Pixel System™ (DPS), разработанная в Стен-фордском университете в 1990-х гг. и запатентованная компанией PIXIM Inc. Основным нововведением для DPS является использование AЦП для переведения величины фотозаряда в ее цифровое значение непосредственно в каждом пикселе сенсора. CMOS(КМОП)-матрицы сенсора препятствуют ухудшению качества сигнала, что увеличивает общее отношение сигнал/шум. Технология DPS позволяет вести обработку сигнала в режиме реального времени.

Технология PIXIM использует метод, известный как мультисемплинг (многократная выборка), что позволяет сформировать изображение высочайшего качества и обеспечить широкий динамический диапазон преобразователя (свет/сигнал). В технологии PIXIM DPS используется пятиуровневый мультисемплинг, это позволяет получать сигнал от сенсора с одним из пяти значений экспозиции. Во время экспонирования производится измерение величины освещенности каждого пикселя кадра (для стандартного видеосигнала — 50 раз в секунду). Система обработки изображения определяет оптимальное время экспонирования и сохраняет полученное значение до того, как произойдет перенасыщение пикселя и прекратится дальнейшее накопление заряда. Рис. 3 поясняет принцип адаптивного накопления. Значение светлого пикселя сохранено при времени экспонирования Т3 (перед насыщением пикселя на 100%). Темный пиксель накапливал заряд более медленно, что требовало дополнительного времени, его значение сохранено при времени Т6. Сохраненные значения (интенсивность, время, уровень шума), измеренные в каждом пикселе, одновременно обрабатываются и преобразуются в высококачественное изображение. Поскольку у каждого пикселя есть свой встроенный АЦП и параметры освещенности измерены и обработаны независимо, то каждый пиксель в действительности действует как отдельная камера.

Системы формирования изображения PIXIM, основанные на технологии DPS, состоят из цифрового сенсора изображения и процессора обработки изображения. В современных цифровых сенсорах используется квантование в 14 и даже в 17 бит. Относительно невысокая чувствительность, как основной недостаток CMOS-технологии, характерна и для DPS. Типовая чувствительность камер этой технологии ~1 лк. Типовое значение отношения сигнал/шум для формата 1/3" составляет 48-50 дБ. Заявляемый максимальный динамический диапазон — до 120 дБ с типовым значением 90-95 дБ. Возможность регулирования времени накопления для каждого пикселя матрицы сенсора позволяет при формировании изображения использовать такой уникальный метод обработки сигнала, как метод выравнивания локальных гистограмм, позволяющий резко повысить информативность изображения. Технология позволяет полностью компенсировать засветку фона, выделить детали, оценить пространственное положение объектов и деталей, находящихся не только на переднем, но и на заднем плане изображения. На фото 3, 4 и 5 приведены кадры, полученные типовой CCD-камерой и камерой PIXIM.

Практика

Итак, можно сделать вывод о том, что сегодня при необходимости вести видеонаблюдение в сложных условиях высококонтрастного освещения можно подобрать телекамеру, достаточно адекватно передающую весь диапазон яркости объектов. Для этого наиболее предпочтительно использование видеокамер с технологией PIXIM. Довольно хорошие результаты обеспечивают системы на основе двойного сканирования. Как компромисс можно рассматривать дешевые телекамеры на основе типовых матриц и электронных систем EWD и многозонной BLC. Естественно, желательно использовать оборудование с оговоренными величинами характеристик, а не только с упоминанием наличия того или иного режима. К сожалению, на практике результаты работы конкретных моделей не всегда соответствуют ожиданиям и рекламным заявлениям. Но это тема для отдельного разговора.