Задача обработки — уменьшение динамического диапазона

Странно, не правда ли? Бывает мы используем HDR при съемке чтобы «расширить» динамический диапазон (это вроде и в само название заложено), но по факту мы вынуждены его уменьшать. Что? Как? Почему? Давайте разбираться

Статья будет полезна в первую очередь печатающим фотографам

Немного теории

Без теории нам не обойтись, к сожалению Но она важна для понимания. Если теория вас не интересует — смело листайте ниже.

Итак, динамический диапазон в фотографии описывает соотношение между максимальной и минимальной измеряемой интенсивностью света (белого и черного соответственно). В реальном мире никогда не бывает настоящего белого или черного — только разные степени интенсивности источника света и отражательной способности объекта.

То есть мы можем сказать, что динамический диапазон конкретной камеры — это насколько много информации поместится между совсем черным пикселем глубокой тени до белого пикселя пересвета.

За каждый пиксель на нашем цифровом изображении отвечает фотодиод матрицы, который накапливает попадающие в него фотоны. Часто это называют ямой/стаканом/ведром фотодиода. Выбирайте любой вариант, но раз уж мы говорим по-русски, то давайте это будет стакан :)

Размер стакана как раз и определяет количество фотонов, которое он может накопить.

Представим, что фотоны — это вода. Как только стакан переполняется, то фотодиод не может определять дополнительные входящие фотоны, тем самым определяя уровень белого конкретной камеры.

Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

Тут, кстати, и кроется физический смысл почему камеры с бóльшим физическим размером пикселя меньше шумят и зачастую имеют бóльший динамический диапазон — в них помещается больше фотонов, а значит будет больше соотношение полезного сигнала к шуму.

Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

А что происходит с абсолютно черным (для нашей камеры)?

На самом деле камеры не могут считать отдельные фотоны. Поэтому, динамический диапазон ограничен самым темным тоном, в котором текстура больше не различима и мы называем это уровнем черного. Уровень черного ограничен тем, насколько точно может быть измерен каждый стакан и количество фотонов в нем, и, следовательно, в темноте ограничен шумом изображения.

Именно поэтому динамический диапазон обычно увеличивается для более низких значений чувствительности ISO и камер с меньшим шумом измерения.


Как это все измерять и как увязать с параметрами более привычными фотографу?

Тут начинается интересное :)

Представим идеальную камеру, которая может уловить один фотон, а ее стакан может вместить 1024 фотонов. Так как в целом динамический диапазон можно описать как соотношение минимально возможных учтенных фотонов к максимально влезаемому в стакан их числу (то есть соотношение), то тогда это соотношение (а оно не что иное, как контрастность) было бы 1024:1.

При этом, наиболее часто используемой единицей измерения динамического диапазона в цифровых камерах является диафрагма, которая описывает общий световой диапазон в степени двойки. Таким образом, коэффициент контрастности 1024:1 также может быть описан как имеющий динамический диапазон в 10 ступеней диафрагмы. (так как 2^10 = 1024). Также каждую единицу диафрагмы можно также описать как «зону» или «EV».

То есть мы пришли к более понятным единицам — ступеням. При этом ступень — это не что иное, как двойка в определенной степени. Ничего не напоминает? Это же битность :)

Даже если камера может захватить широкий динамический диапазон, то есть еще один ограничитель — это точность, с которой измерения освещенности преобразуются в цифровые значения. За это отвечает аналого-цифровой преобразователь (A/D). И вот его точность как раз и описывается битами.

Итог теории

Когда нам говорят, что битность рава в определенной камере 14 бит, то это означает точность, с которой камера может преобразовать попадаемый свет на пиксели матрицы. А динамический диапазон зависит от размера пикселя, размера его стакана и возможности матрицы улавливать минимальное количество фотонов.

Битность изображения

Динамический диапазон и битность можно представить как лестницу и количества ступеней в ней. Вся лестница — это динамический диапазон. Количество ступеней — плавность переходов из одного тона в другой. Чем их больше — тем плавнее тональные переходы

Продолжаем увязывать битность и EV

Если вы не поняли как мы неожиданно перескочили от динамического диапазона к битности, то придется-таки прочитать текст выше :)

Стоит сделать отдельную пометку, что все-таки это разные понятия и они не могут в полной мере взаимозаменяться. Но нам нужна эта связь для последующих рассуждений.

Например, 10-битная тональная точность соответствует возможному диапазону яркости от 0 до 1023 (поскольку 2^10 = 1024 уровня). Предполагая, что число каждого аналого-цифрового преобразователя пропорционально фактической яркости изображения (это означает, что удвоенное значение пикселя соответствует удвоенной яркости), 10-битная точность может кодировать коэффициент контрастности только 1024:1.

Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

Почему же мы вынуждены уменьшать Динамический диапазон при обработке фотографии?

Теория закончилась и время вернуться к основному вопросу статьи. Он, кстати, не такой многословный как теоретическая часть :)

  • Человеческий глаз в среднем различает 25-30 ступеней экспозиции
  • Камера же при съемке в 14 бит реально может запечатлеть порядка 10-12 ступеней
  • А вот дальше мы начинаем работать с мониторами, которые в среднем имеют контрастность 1000:1 — 1200:1. То есть имеют 10бит и соответственно диапазон в 10 ступеней

На этом этапе мы как раз и пытаемся загнать весь тот широкий динамический диапазон (который наши камеры смогли запечатлеть или который мы сделали с помощью HDR) в небольшие 10 ступеней.

  • Потом мы сохраняем результат в JPG, который имеет 8 бит и как следствие около 8EV.

Думали всё?

  • Но ведь если фотографии печатать, то надо понимать, что печатные машины могут вывести на печать примерно 5-6 EV
Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

Вывод

Много букв выше приводит нас к неутешительным результатам, мы не только не можем на камеру запечатлеть все, что видит наш глаз, но еще и в процессе обработки вынуждены уменьшать, ужиматься в динамические диапазоны носителей, на которых наша фотография будет в дальнейшем жить.

Бонус

На картинке ниже представлены три цветовых охвата, построенные в пространстве LAB (слева на право): 

  • Охват Adobe RGB
  • Охват европейского печатного процесса на высококачественной мелованной бумаге
  • Охват печати на газетной бумаге

Тут, кстати, наглядно видно, что на печати мы не можем получить ни насыщенный черный, ни яркий белый. То есть контраст отпечатка априори ниже.

Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

Статьи

Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

Откуда появляются дырки в звездных треках?

Казалось бы, мы снимаем на длинных выдержках треки и промежуток между кадрами составляет (обычно) одну секунду, но,...
Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

Нормальная интервальная съемка на Canon

Меня многие уверяли, что она Canon есть интервальная съемка прямо в камере, но я не могу назвать это решение...
Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

Рабочее место фотографа

Все началось с обсуждения в чате какое же нужно сделать освещение на рабочем месте, чтобы комфортно и правильно...
Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

Манифест пейзажного фотографа

В этом году я участвовал в замечательном фото-кэмпе фотографов дикой природы Nature Photo Camp. И так как это событие...
Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

Автоматический стекинг по фокусу в камере

Многие современные камеры имеют функцию автоматического фокус стекинга. Сегодня мы постараемся разобраться что это,...
Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

Битва шумодавов

Ночная съемка не обходится без шумов. И это нормально. Их просто надо полюбить и научиться с ними работать :)...
Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

Резкость в Capture One

Повышение резкости фотографии это одновременно самый любимый и не любимый вопрос многих фотографов. Также много копий...
Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

Оптимальный размер для загрузки фотографии в Телеграм

Как известно в сети Интернет мы (фотографы) вынуждены жить по правилам тех платформ и ресурсов, на которые выставляем...
Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

Лофотенские острова. Плёночные фотографии

В 2019 году я вместе с нашим фототуром поехал в Норвегию на Лофотенские острова. Для разнообразия с собой взял свою...
Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

Это у вас на фотографии звезды или шум?

Ночные фотографии — это всегда борьба или смирение с шумами. И каждый автор должен выбрать тот или иной лагерь. Если...
Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

Про насмотренность, повторения и невозможность придумать что-то новое

Глобальная проблема творчества — придумать или не смочь придумать что-то новое. В сети часто можно встретить «это уже...
Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

Сравнение объективов 7artisans 7,5/f2.8 и TTArtisan 7,5/f2.0

Наконец мне пришел новый объектив TTArtisan 7,5 mm f/2.0 и даже из-за задержек с отправкой в посылке нашлись...
Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

Съёмка молний

Сегодня мы поговорим о таком интересном поджанре пейзажной фотографии как съемка молний.
Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

Внешнее питание для камеры

Перед фотографами, увлекающимися длительными съемками или уходящими в автономку на несколько дней всегда стояла...
Задача обработки — уменьшение динамического диапазона. Фотограф Константин Шамин

Встроенный ND-фильтр

Все уже привыкли к различным фото-фильтрам. Они бывают круглые, квадратные, крепятся в специальный держатель,...