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.
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.
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.
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
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.
