-Поиск по дневнику

Поиск сообщений в akry

 -Подписка по e-mail

 

 -Статистика

Статистика LiveInternet.ru: показано количество хитов и посетителей
Создан: 21.08.2007
Записей: 4917
Комментариев: 25572
Написано: 40060



Динамический диапазон камер

Понедельник, 12 Января 2009 г. 12:22 + в цитатник

Ниже моё понимание ситуации. Если есть коррективы, смело пишите в комментариях!

Хорошая статья «The Eye and the Camera», но в самом начале встречается странная фраза:

«Even a 16-bit A/D converter can only capture a dynamic range of 16 stops at the very maximum. However, most Digital Single Lens Reflex cameras as of Fall 2006 use a 10 to 14-bit A/D converter, which translates into a dynamic range of 10 to 14 stops.»

«Даже 16-битный АЦП может захватить динамический диапазон максимум в 16 ступеней. Однако большинство зеркалок на конец 2006 года использовали 10-14-битные АЦП, что переводится в динамический диапазон от 10 до 14 ступеней».

Или я что-то неправильно понял в этой фразе, или автор сделал традиционную ошибку — отождествил динамический диапазон матрицы и битность процессора.

Если вы в теме, то дальше можете не читать. Я специально пишу очень подробно, потому что не ожидал встретить такого заблуждения у профессионального фотографа на уважаемом мною ресурсе. Значит и ещё у кого-то могут быть такие же представления.

Динамический диапазон — какие самые светлые и самые тёмные участки могут быть одновременно проработаны в кадре. Когда мы снимаем в тёмной комнате, в окно которой светит Солнце, внутреннее убранство помещения гораздо темнее, чем подоконник и то, что за окном. Может быть в сотни тысяч раз темнее. Глаз при этом с таким диким контрастом в основном справляется, а современные камеры в большинстве своём — нет. Они выбирают что-то одно. Или могут сосредоточиться на тёмных участках, но окно будет выжженым пятном. Или могут сосредоточиться на окне, тогда оно будет на чёрном фоне.

По тем же причинам, из за ограничений современных камер, крайне сложно сфотографировать освещённый Луной пейзаж, чтобы одновременно была проработана и сама Луна.

Если представить это наглядно, то получим такую картинку. Динамический диапазон пейзажа, освещённого яркой Луной нарисуем так.

«т» — самые тёмные участки (небо по краям, тени на земле).

«с» — самые яркие кусочки Луны.

Разброс яркостей:    | ттттттттт--------------------------------------------------------------------сссссссссс |

Глаз видит весь диапазон одновременно. А камера…

Камера видит так:     | ттттттттт--------------------------------------------------------------------сссссссссс |, а всё правее закрашенного — белое.

Или так:                       | ттттттттт---------------------------------------------------------------------сссссссссс |, а всё левее закрашенного — чёрное.

Слабовато, да? Мы пытаемся обойти это ограничение, делая несколько снимков в разных диапазонах. Как торт на кусочки нарезаем:

Четыре снимка:         | ттттттттт---------------------------------------------------------------------сссссссссс |

А потом склеиваем их в один кадр. Получается то, что называют HDRi — high dynamic range image (картинка с большим динамическим диапазоном). Беда только в том, что обычные мониторы всё равно не в состоянии воспроизвести весь этот диапазон, и приходится как-то крутиться, втискивать.

Например, так:          | тттт-----------------сссссс |.

Конечно, при этом приходится жертвовать деталями в каких-то диапазонах. К примеру, у нас были замечательные оттенки серого цвета в полутенях. Мы эту игру оттенков убрали, потому что решили, что главное для нас — это проработка глубоких теней и Луны. Строго говоря, получившееся — уже не HDR. Это то, что мы молотком и напильником сделали из исходного HDR, утрамбовав его в узкий динамический диапазон монитора.

Сейчас есть мониторы, которые могут воспроизводить гораздо более широкий диапазон, чем обычные панели. Но стоят они пока очень дорого.

Повышение динамического диапазона матриц — важная задача. Наверное поважнее увеличения мегапиксельности. Потому что существующих 8-12 Мп и так достаточно для большинства задач. Те, кому мало, при желании (и изрядно потратившись) могут купить себе хоть гигапиксельные камеры. Или клеить панорамы. А вот диапазон маловат, и с этим сталкивался практически каждый. Попытка обойти это ограничение засчёт множества экспозиций — тоже не выход. Это трудоёмко. Кроме того, так можно снимать только статику, а вот игру лунного света на дождинках ночью уже не снимешь без специальных плясок с бубном.

 

Разрядность процессора (все эти 12-14 бит) — это всего лишь толщина ломтя хлеба. Батон то у нас один. Но мы можем его нарезать на 8 частей, а можем на 32. От тонкой нарезки реально хлеба больше не станет. Но появится аристократическое изящество в каждом ломте. 

Так и с разрядностью процессора. Десятибитные процессоры могут нарезать им данный (небольшой, см. выше) диапазон на 2^10 = 1024 куска. Двенадцатибитные — на 4096 кусков. Четырнадцатибитные — на 16384 куска. Шестнадцатибитные — на 65536 кусков.

Чем тоньше нарезка, тем больше возможностей по передаче полутонов. Человеческий глаз способен различить десятки тысяч оттенков одновременно. Точное число не помню, но много.

Наши мониторы в основном и вовсе 8-битные. То есть они могут передать по 256 градаций красного, зелёного и синего цвета. Такой же 8-битный формат JPEG. Как мы уже видели раньше на примере динамического диапазона, тут придётся чем-то жертвовать. На этот раз не диапазоном яркостей, а детализацией. Например, сфоткали вы лес. С подлеском, с листвой — всё как надо. Куча зелёных оттенков, просто глаз радуется. А на восьмибитном мониторе всё это сливается в однородную одноцветную массу. Нет того разнообразия, которое видел многобитный глаз. Поэтому и делаем мы спецтрюки, вроде описанных Маргулисом — искуственно растягиваем оттенки зелени. То, что было слегкатемноватозелёным, становится тёмнозелёным. То, что было слегкасветловатозелёным, становится светлозелёным. А промежуточные оттенки заменяются на близкие к ним доступные. Этот эффект называется постеризацией.

Зачем тогда нужны все эти 12, 14 и даже 16 бит, если всё равно всё сведётся к 8 битам? Просто чем тоньше нарезка, тем легче выбирать, чем жертвовать, а что оставить. 

16 бит:    |-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-|. Небольшой диапазон, тонкая нарезка.

8 бит:      |---------*---------*---------*---------*---------*---------*-----|. Тот же диапазон, грубее нарезка.

Есть ещё одно преимущество многобитности. Дело в том, что матрицы фотоаппаратов чувствительны неравномерно. Если вернуться к метафоре с батоном, то возле тёмного участка батона мы режем большими кусками. Потом входим во вкус, и начинаем резать всё тоньше и тоньше. И уже к светлой попке нарезаем ломтики толщиной в лист бумаги. Поэтому, если вы снимаете в RAW, то во многих случаях немного пересветить кадр безопаснее, чем недосветить — информации о светлых участках сохраняется больше, есть из чего её восстанавливать.

Если же мы повышаем разрядность процессора, то, даже не смотря на такое нелинейное распределение, тёмным участкам достаётся больше кусочков пирога. Хоть немножко, но больше.

8 бит:    |--------*--------*------*------*-----*----*----*---*---*-*-****|

16 бит:  |----*----*----*---*---*--*--*--*-*-*-*********************| — для того же участка теней сохраняется чуть больше информации.

С повышением ISO, из за того, что шумы увеличиваются, итоговый динамический диапазон снижается.

Замечу в завершение, что у новых камер как правило действительно больше динамический диапазон. Не засчёт размерности процессора, а по причине улучшения технологий. И при оценке динамического диапазона нужно рассматривать сочетание трёх параметров: нижнего уровня шума матрицы, шума усилителя и ограничений АЦП. Для тех, кто хочет узнать подробности, есть интересная статья «Digital Camera Sensor Performance Summary».

Рубрики:  Идеи и мысли
Метки:  

 

Добавить комментарий:
Текст комментария: смайлики

Проверка орфографии: (найти ошибки)

Прикрепить картинку:

 Переводить URL в ссылку
 Подписаться на комментарии
 Подписать картинку