DINAMIKUS TARTOMÁNY A DIGITÁLIS FÉNYKÉPZÉSBEN

A fotózás dinamikus tartománya a maximális és minimális mérhető fényintenzitás (fehér, illetve fekete) közötti arányt írja le. A valós világban soha nem találkozhatunk valódi fehérrel vagy feketével – csak a fényforrás intenzitásának és a téma visszaverődésének változó mértékével. Ezért a dinamikatartomány fogalma bonyolultabbá válik, és attól függ, hogy egy rögzítőeszközt (például fényképezőgépet vagy szkennert), egy megjelenítő eszközt (például egy nyomtatott vagy számítógépes kijelzőt) vagy magát a témát írja le.

Csakúgy, mint a színkezelésnél, a fenti képalkotási láncon belül minden eszköznek megvan a maga dinamikus tartománya. A nyomatokon és a számítógépes kijelzőkön semmi sem lehet világosabb, mint a papírfehér vagy egy maximális intenzitású pixel. Valójában egy másik, fent nem látható eszköz a szemünk, amelynek szintén megvan a maga dinamikus tartománya. A képinformációk eszközök közötti fordítása ezért befolyásolhatja a kép reprodukálását. A dinamikatartomány fogalma ezért hasznos az aktuális jelenet, a kamera és a képernyőn vagy a végső nyomatban látható kép közötti viszonylagos összehasonlításhoz.

A FÉNY HATÁSA:MEGVILÁGÍTÁS ÉS VISSZAFÜRÖZÉS

A fény intenzitása a beeső és visszavert fénnyel írható le; mindkettő hozzájárul a jelenet dinamikus tartományához (lásd a „Fényképezőgép fénymérés és expozíció” című oktatóanyagot).

Azok a jelenetek, amelyekben nagy a visszaverődési eltérés, például azok, amelyek fekete tárgyakat tartalmaznak az erős visszaverődés mellett, valójában nagyobb dinamikatartománnyal rendelkeznek, mint a nagy beeső fényváltozással rendelkező jelenetek. A fotózás bármelyik forgatókönyv szerint könnyen túllépheti a fényképezőgép dinamikus tartományát – különösen, ha az expozíció nem pontszerű.

A fényintenzitás vagy fénysűrűség pontos mérése ezért kritikus fontosságú a dinamikus tartomány értékelésénél. Itt a megvilágítás kifejezést csak a beeső fény meghatározására használjuk. Mind a megvilágítást, mind a fénysűrűséget jellemzően kandelában/négyzetméterben (cd/m) mérik. Az alábbiakban a gyakran előforduló fényforrások hozzávetőleges értékei láthatók.

Itt azt látjuk, hogy a beeső fény hatalmas variációja lehetséges, mivel a fenti diagram tízes hatványokra van méretezve. Ha egy jelenetet egyenetlenül világít meg mind a közvetlen, mind az akadályozott napfény, ez önmagában nagymértékben növelheti a jelenet dinamikus tartományát (amint az a kanyon naplemente példájából is kiderül, részben megvilágított sziklafallal).

DIGITAL KAMERÁK

Bár a dinamikus tartomány jelentése egy valós jelenetnél egyszerűen a legvilágosabb és legsötétebb területek aránya (kontrasztarány), definíciója bonyolultabb a mérőeszközök, például digitális fényképezőgépek és szkennerek leírásakor. Emlékezzünk vissza a digitális fényképezőgépek érzékelőiről szóló oktatóanyagból, hogy a fényt egy üregben vagy kútban minden pixelnél mérik (fotooldal). Az egyes fotóhelyek mérete, a tartalom mérési módja mellett, meghatározza a digitális fényképezőgép dinamikus tartományát.

Fekete szint
(Zaj által korlátozva) Fehér szint
(telített fotóoldal) Sötétebb fehér szint
(alacsony kapacitású fotóoldal)

A fotóhelyeket vödröknek tekinthetjük, amelyekben a fotonok úgy vannak, mintha víz lennének. Ezért, ha a vödör túlságosan megtelik, túlcsordul. Egy túlcsorduló fotosite állítólag telítetté vált, és ezért nem tud különbséget tenni a további beérkező fotonok között – ezáltal meghatározza a kamera fehér szintjét. Egy ideális fényképezőgép esetében a kontrasztaránya éppen az lenne, hogy az egyes fotohelyeken belül a fotonok száma el legyen osztva a legsötétebb mérhető fényintenzitással (egy foton). Ha mindegyik 1000 fotont tartalmazna, akkor a kontrasztarány 1000:1 lenne. Mivel a nagyobb fotóhelyek nagyobb tartományú fotonokat tartalmazhatnak, a dinamikatartomány általában magasabb a digitális tükörreflexes fényképezőgépeknél, mint a kompakt fényképezőgépeknél (a nagyobb pixelméretek miatt).

Műszaki megjegyzés :Egyes digitális fényképezőgépekben van egy kiterjesztett alacsony ISO-beállítás, amely kevesebb zajt produkál, de csökkenti a dinamikatartományt is. Ennek az az oka, hogy a beállítás valójában egy teljes f-stoppal túlexponálja a képet, de később csonkolja a csúcsfényeket – ezáltal növeli a fényjelzést. Példa erre számos Canon fényképezőgép, amelyek ISO-50-es sebessége a normál ISO-100 alatt van.

A valóságban a fogyasztói kamerák nem tudják megszámolni az egyes fotonokat. A dinamikatartományt ezért a legsötétebb tónus korlátozza, ahol a textúra már nem észlelhető; ezt nevezzük fekete szintnek. A fekete szintet az határozza meg, hogy az egyes fotohelyek milyen pontosan mérhetők, ezért sötétben a képzaj korlátozza. Ezért a dinamikatartomány általában növekszik alacsonyabb ISO-érzékenység és kisebb mérési zaj mellett .

Műszaki megjegyzés :Még ha egy fotóhely meg tudná is számolni az egyes fotonokat, akkor is korlátozná a fotonzaj. A fotonzajt a fotonok érkezésének statisztikai változása hozza létre, ezért ez a zaj elméleti minimumát jelenti. A teljes zaj a fotonzaj és a kiolvasási zaj összegét jelenti.

Összességében tehát a digitális fényképezőgép dinamikatartománya a mérhető maximális fényintenzitás (pixeltelítettségnél) és a mérhető minimális fényintenzitás (a kiolvasási zaj felett) arányaként írható le. A digitális fényképezőgépekben a dinamikatartomány mérésére leggyakrabban használt mértékegység az f-stop, amely a teljes fénytartományt 2-es hatványokkal írja le. Az 1024:1 kontrasztarányt ezért úgy is leírhatjuk, hogy 10 f-stop dinamikatartománnyal rendelkezik. (mivel 2 =1024). Az alkalmazástól függően az egyes f-stop egységeket „zónának” vagy „eV-nek” is nevezhetjük.

SZKENNEREK

A szkennerekre ugyanaz a telítettség:zaj kritérium vonatkozik, mint a digitális fényképezőgépek dinamikus tartományára, azzal az eltéréssel, hogy ehelyett a sűrűség (D) kifejezéssel írják le. Ez azért hasznos, mert elvileg hasonló ahhoz, ahogyan a pigmentek tónusokat hoznak létre a nyomtatott médiában, ahogy az alább látható.

Alacsony fényvisszaverés (nagy sűrűségű)	Nagy fényvisszaverő képesség (alacsony sűrűségű)	Magas pigmentsűrűség (sötétebb tónus)	Alacsony pigmentsűrűség (világosabb tónus)

A sűrűség tekintetében a teljes dinamikatartomány tehát a maximális pigmentsűrűség (D), mínusz a minimális pigmentsűrűség (D). Ellentétben a 2-es f-stop hatványaival, a sűrűséget 10-es hatványokkal mérik (ahogy a Richter-skála a földrengések esetében). A 3,0-s sűrűség tehát 1000:1 kontrasztarányt jelent (mivel 10 =1000).

Eredeti dinamikatartomány
Szkenner dinamikus tartománya

A teljes sűrűség (D) felsorolása helyett a lapolvasó gyártója általában csak a D értéket tünteti fel, mivel a D-D megközelítőleg egyenlő D-vel. Ennek az az oka, hogy a digitális fényképezőgépekkel ellentétben a szkenner teljes mértékben irányítja a fényforrását, biztosítva, hogy minimális fotóhely legyen. telítettség lép fel.

A nagy pigmentsűrűség esetén ugyanazok a zajkorlátozások vonatkoznak a szkennerekre, mint a digitális fényképezőgépekre (mivel mindkettő fotosite-rendszert használ a méréshez). Ezért a mérhető D-t a fényjel kiolvasása során fellépő zaj is meghatározza.

ÖSszehasonlítás

A dinamikatartomány olyan erősen változik, hogy általában logaritmikus skálán mérik, hasonlóan ahhoz, ahogyan a rendkívül eltérő földrengések intenzitását ugyanazon a Richter-skálán mérik. Itt bemutatjuk a maximális mérhető (vagy reprodukálható) dinamikus tartományt több eszköz esetében, bármely preferált mérték (f-stop, sűrűség és kontrasztarány) tekintetében. Vigye az egeret az alábbi lehetőségekre az összehasonlításhoz.

lehetőséget

Válassza ki a Dinamikus tartomány mérése:
f-megállók	Sűrűség	Kontrasztarány

Válassza ki a fent megjeleníteni kívánt típusokat:
Nyomtatott adathordozó	Szkennerek	Digitális fényképezőgépek	Kijelzőeszközök

Figyelje meg a nyomatok reprodukálható dinamikatartománya és a szkennerek és digitális fényképezőgépek által mérhető dinamikatartomány közötti óriási eltérést. A jelenetek valós dinamikus tartománnyal való összehasonlítása érdekében ezek körülbelül 3 f-ponttól egy felhős napon, majdnem egyenletes visszaverődéssel, és 12+ f-ponttól egy napsütéses napon, rendkívül egyenetlen visszaverődéssel változnak.

A fenti számok értelmezésekor körültekintően kell eljárni; A valós dinamikatartomány a környezeti fény erős funkciója a nyomatok és a megjelenítő eszközök esetében. Előfordulhat, hogy a nem megfelelő megvilágítás mellett megtekintett nyomatok nem adják meg teljes dinamikatartományukat, míg a megjelenítő eszközöknek csaknem teljes sötétségre van szükségük ahhoz, hogy teljes potenciáljukat kiaknázzák – különösen a plazmakijelzők esetében. Végül ezek az értékek csak durva közelítések; A tényleges értékek a készülék korától, a modell generációjától, az árkategóriától stb. függenek.

Figyelem, hogy a kijelzőeszközök kontrasztaránya gyakran erősen eltúlzott , mivel ezek felsorolására nincs gyártói szabvány. Az 500:1-et meghaladó kontrasztarány gyakran csak egy nagyon sötét fekete pont eredménye, a világosabb fehér pont helyett. Emiatt figyelmet kell fordítani a kontrasztarányra és a fényerőre egyaránt. A nagy kontrasztarányokat (megfelelően nagyobb fényerő nélkül) még a környező gyertyafény is teljesen kiküszöbölheti.

AZ EMBER SZEM

Az emberi szem valójában nagyobb dinamikatartományt tud érzékelni, mint az általában egy fényképezőgéppel lehetséges. Ha figyelembe vesszük azokat a helyzeteket, amikor a pupillánk kinyílik és becsukódik változó fény hatására, akkor szemünk közel 24 f-stop tartományban lát.

Másrészt az egyetlen fényképpel való pontos összehasonlításhoz (állandó rekeszérték, zár és ISO mellett) csak a pillanatnyi dinamikatartományt vesszük figyelembe (ahol a pupillanyílásunk változatlan). Ez olyan lenne, mintha egy jeleneten belül egy régiót néznénk, hagynánk, hogy a szemünk alkalmazkodjon, és ne nézzünk sehova. Ebben a forgatókönyvben sok a nézeteltérés, mivel szemünk érzékenysége és dinamikatartománya valójában a fényerőtől és a kontraszttól függően változik. A legtöbben 10-14 f-stopra becsülik.

Ezekkel a számokkal az a probléma, hogy szemünk rendkívül alkalmazkodó. Extrém gyenge fényviszonyok melletti csillagnézési helyzetekben (ahol a szemünk hozzászokott az éjszakai látáshoz rúdsejtek használatához), szemünk még magasabb pillanatnyi dinamikus tartományokhoz közelít (lásd a „Az emberi szem színérzékelése” című oktatóanyagot).

BITMÉLYSÉG ÉS MÉRÉSI DINAMIKAI TARTOMÁNY

Még ha egy digitális fényképezőgép hatalmas dinamikatartományt is képes rögzíteni, a fénymérések digitális értékekké történő fordításának pontossága korlátozhatja a használható dinamikatartományt. Az igáslót, amely ezeket a folyamatos méréseket diszkrét számértékekre fordítja, analóg-digitális (A/D) átalakítónak nevezzük. Az A/D konverter pontossága a digitális képek bitmélységéhez hasonlóan bitekben írható le, bár ügyelni kell arra, hogy ezeket a fogalmakat ne használjuk felcserélhetően. Az A/D konverter az, amely értékeket hoz létre a digitális fényképezőgép RAW fájlformátumához.

Analóg/digitális konverter bitpontossága	Kontrasztarány	Dinamikatartomány
		f-megállók	Sűrűség
8	256:1	8	2.4
10	1024:1	10	3.0
12	4096:1	12	3,6
14	16384:1	14	4.2
16	65536:1	16	4,8

Megjegyzés:A fenti értékek csak az A/D konverter pontosságára vonatkoznak, és nem használhatók a 8 és 16 bites képfájlok eredményeinek értelmezésére. Ezenkívül a feltüntetett értékek elméleti maximumok, feltételezve, hogy a zaj nem korlátozó, és ez csak a lineáris A/D konverterekre vonatkozik.

Példaként említjük, hogy a 10 bites tónuspontosság egy lehetséges 0-1023 fényerő-tartományt jelent (mivel 2 =1024 szint). Feltételezve, hogy az egyes A/D konverterek száma arányos a tényleges képfényerővel (azaz kétszeres pixelérték kétszeres fényerőt jelent), 10 bites pontossággal csak 1024:1 kontrasztarányt lehet kódolni.

A legtöbb digitális fényképezőgép 10-14 bites A/D konvertert használ, így elméleti maximális dinamikatartományuk 10-14 lépés. Ez a nagy bitmélység azonban csak minimálisra csökkenti a kép poszterét, mivel a teljes dinamikatartományt általában a zajszint korlátozza. Hasonlóan ahhoz, hogy egy nagy bitmélységű kép nem feltétlenül jelenti azt, hogy a kép több színt tartalmaz, ha egy digitális fényképezőgép nagy pontosságú A/D konverterrel rendelkezik, az nem feltétlenül jelenti azt, hogy nagyobb dinamikatartományt tud rögzíteni. Valójában a dinamikatartomány egy lépcső magasságának, míg a bitmélység a lépcsők számának tekinthető. A gyakorlatban a digitális fényképezőgép dinamikatartománya meg sem közelíti az A/D konverter elméleti maximumát; A kamerától általában csak 8-12 megálló várhat.

A KÉPTÍPUS ÉS A TONÁLIS GÖRBE BEFOLYÁSA

A digitális képfájlok valóban rögzíthetik a csúcskategóriás eszközök teljes dinamikatartományát? Úgy tűnik, nagy a zűrzavar az interneten a kép bitmélységének relevanciájával kapcsolatban a rögzíthető dinamikatartományban.

Először is különbséget kell tennünk aközött, hogy írható dinamikatartományról vagy megjeleníthető dinamikatartományról beszélünk. Még egy közönséges 8 bites JPEG képfájl is elképzelhető, hogy végtelen dinamikatartományt rögzít – feltételezve, hogy a RAW-konverzió során a megfelelő tónusgörbét alkalmazzák (lásd a görbékről szóló oktatóanyagot, a motiváció alatt:dinamikatartomány), és az A/D konverter rendelkezik a bit pontosság szükséges. A probléma ennek a dinamikatartománynak a használhatóságában rejlik; Ha túl kevés bit oszlik el túl nagy tónustartományban, ez a kép poszterezéséhez vezethet.

Másrészt a megjeleníthető dinamikatartomány a képfájl által feltételezett, illetve a videokártya és a megjelenítő eszköz által használt gamma-korrekciótól vagy tónusgörbétől függ. 2,2-es gamma használatával (a PC-k szabványa) elméletileg lehetséges lenne egy közel 18 f-stop dinamikatartomány kódolása (lásd a gamma-korrekcióról szóló oktatóanyagot, amelyet hozzáadunk). Ez azonban ismét súlyos poszterezéstől szenvedne. Az egyetlen jelenlegi szabványos megoldás a szinte végtelen dinamikatartomány kódolására (látható poszter nélkül), hogy nagy dinamikatartományú (HDR) képfájlokat használnak a Photoshopban (vagy más támogató programban).