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

В самом упрощённом виде определение звучит так: динамический диапазон определяет способность светочувствительного материала (фотопленки, фотобумаги, светочувствительной аппарата) правильно передавать яркости снимаемого объекта. Не очень понятно? Суть явления не так очевидна, как кажется на первый взгляд. Дело в том, что глаз и фотоаппарат видят мир по-разному. Глаз развивался несколько сот миллионов лет, а оптическая система аппарата — полторы сотни лет. Для глаза огромный перепад яркостей в наблюдаемом мире — тривиальная задача, а для аппарата — иногда непосильная. И, если глаз воспринимает весь диапазон яркостей, то фотоаппарат «видит» только узкую часть диапазона , которая как бы передвигается по шкале в одну и другую сторону, в то время как мы изменяем съёмки.

Давайте на несколько минут вернёмся в прошлый, XX, век, во времена плёночной фотографии. Тому, кто не застал тех славных времён, придётся напрячь свою фантазию.

Техпроцесс печати, наверное, представляют все. Свет лампы увеличителя, пройдя через негатив, освещает фотобумагу. Там, где негатив прозрачный, весь свет проходит, не задерживаясь, а там, где плотный – поток сильно ослабевает. Потом бумага помещается в проявитель. Те места, которым досталось много света – чернеют, а участки, оставшиеся на голодном световом пайке – наоборот, остаются белыми. Ну и, конечно, никуда не делись промежуточные тона. Представим, что на негативе есть как абсолютно чёрные участки, через которые свет вообще не пробивается, так и абсолютно прозрачные, пропускающие весь свет. Есть ещё такое понятие, как время максимальной выдержки. Оно для каждого увеличителя своё и зависит от типа лампы, её мощности и от конструкции рассеивателя. Допустим, что это время составляет 10 секунд. Нам не столько важна абсолютная его величина, сколько само понятие – за эти 10 секунд фотобумага, помещённая под лампу фотоувеличителя, безо всякого негатива (или с абсолютно прозрачным негативом), сможет вобрать в себя весь поступивший свет. Больше она просто не примет – происходит насыщение. Свети хоть 20 секунд, хоть 3600 – разницы уже не будет. Она уже и так останется максимально чёрной.

Внимание, вопрос. Как Вы считаете, сколько полутонов сможет расположиться на полоске фотобумаги между абсолютно белым и абсолютно чёрным участком, так чтобы человек различал разницу между ними? Давайте разделим полоску на 10 частей, и будем увеличивать экспозицию (то есть количество света) для каждого последующего участка на одну и ту же величину, например, на секунду. Таким образом, мы получим 10 участков, со всё увеличивающейся экспозицией (всё более чёрных). Вот это количество полутонов, которые может воспроизвести светоприёмник, и называется его динамическим диапазоном.

Вы удивитесь, когда не сможете различить все 10 переходов на полоске фотобумаги, особенно в светлой её части (глаз человека сможет различить гораздо больше, не справится именно бумага). Оказывается, что фотобумага, на которой напечатаны все чёрно-белые шедевры за последние лет 150, может уверенно передать всего-навсего 5-6-7 ступеней полутонов, в зависимости от контраста. Чуть лучше обстоит дело с фотоплёнкой – она вмещает в себя 12-14, а то и ещё больше градаций полутонов! У слайдовой плёнки диапазон полутонов составляет 7-10 ступеней.

Нас, как цифровых фотографов, интересует, конечно, матрица цифрового аппарата. Довольно долгое время цифроматрица находилась в явных аутсайдерах. Её динамический диапазон был примерно сопоставим с таковой у слайдовой плёнки. Сегодня же, с почти полным переходом на CCD-матрицу, динамический диапазон матрицы цифровых аппаратов значительно расширен – примерно до 12-14 ступеней. Специальные же матрицы от Fuji имеют ещё бОльший динамический диапазон (В этих матрицах для увеличения динамического диапазона используется наличие на одной и той же матрице элементов различной площади и различной эффективной чувствительности. Передача низких уровней яркости обеспечивается элементами большой чувствительности, а высоких яркостей - низкой).

Для чего нам нужно понятие динамического диапазона? Дело в том, что оно очень тесно связано с измерением и выбором .

Среднестатистический сюжет как раз состоит из этих самых 7-8 ступеней экспозиции. И, если мы верно выставим экспозицию, необходимую для передачи всех полутонов, присутствующих в исходном объекте, мы прекрасно справимся с поставленной задачей – получим отлично проработанное как в светах, так и в тенях изображение. Наш светоприёмник (матрица или плёнка) как раз уместит в своём диапазоне весь диапазон яркостей объекта.

Усложняем задачу – выходим за рамки средней съёмки – добавляем солнышко. Диапазон яркостей сразу увеличивается, появляются световые блики, отражения, глубокие тени. Глаз с этим справляется на «ура», ему только не очень нравится смотреть на слишком яркие источники света, а вот для фотоаппарата наступают тяжёлые минуты. Как угодить хозяину? Что выбрать? Увеличишь экспозицию – получишь выбитые зубы света и невестино платье станет просто белым куском, уменьшишь, постараешься поймать платье невесты, так у жениха костюм – сплошное чёрное пятно. Диапазон яркостей объекта намного превышает возможности светоприёмника, и в этом случае приходится идти на компромисс, подключать творчество, опыт и знание теории.

«А может сделать силуэт, да не париться? Так даже лучше» — это творчество .

«Экспозиция – по лицу. А платье и пиджак подтянем кривыми в Любимой Программе» — это знание теории .

«Отведу-ка я пару воон под то деревце, и таким образом выровняю перепад яркостей, а, следовательно, и динамический диапазон» — это опыт .

Изменить динамический диапазон своего аппарата мы не в силах, мы можем только помочь ему принять верное решение в сложных ситуациях. Мы помогаем ему в выборе — какая жертва для нас, как для автора снимка менее трагична.

Надеюсь, теперь стало более понятно, как связано понятие динамического диапазона с экспозицией. Чтобы получить возможно более качественный снимок, необходимо весь диапазон полутонов объекта уместить в динамический диапазон аппарата, либо – решая творческие задачи – сместить диапазон яркостей объекта в одну или другую сторону.

Одним из способов увеличения динамического диапазона является многократная съёмка объекта с разными экспозициями с последующим цифровым «склеиванием», объединением кадров в одно изображение. Такой способ носит название HDR — High Dinamic Range.

Последний абзац посвящу извинениям. Дело в том, что на самом деле понятие «динамический диапазон» довольно сильно зависит от способа измерения — по контрастности, по плотности или f-ступенями, от цветового пространства, от освещенности (для отпечатков или мониторов), от области применения — для сканера, для матрицы, для монитора, для бумаги и прочее. Поэтому прямое сравнение динамического диапазона, как это проделали мы, если честно, довольно значительно грешит против настоящей, скрупулёзной физики. В своё оправдание скажу, что я попытался дать возможно более понятное объяснение термина. За более детальным (строгим) определением отсылаю читателя в просторы сети (вот хороший пример для начала — «Динамический диапазон в цифровой фотографии «).

И ещё. Ну это уже точно самый последний абзац. С понятиями «Динамический диапазон» и «Экспозиция» очень тесно связна интереснейшая «Зонная теория Анселя Адамса». Точнее, придумал теорию не Адамс, но он здорово популяризовал её, развил и теоретически обосновал, так что теперь она носит его имя. При случае обязательно познакомьтесь с ней.

Удачных снимков!

Нет связанных статей.

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.

Слово «фотография» происходит от греческих слов phos и graphe , что означает свет и рисование , соответственно. Таким образом, создание фотографии в самом строгом определении буквально означает «рисовать светом». Но рисование светом может быть достаточно сложным, учитывая количество света, с которым приходится работать!

Иногда вы можете оказаться в ситуации с большим количеством света, например, на открытом воздухе или в хорошо освещенном зале, а в другой раз свет настолько тусклый, что вам приходится создавать свой источник с помощью вспышки или оставлять затвор открытым на продолжительное время. Однако, вполне вероятно, что все закончится тем, что при съемке у вас будет света так же много, как и теней, а потому получить желаемый снимок будет очень сложно. К счастью, существует такой термин, который поможет вам в таких ситуациях – это динамический диапазон. Знание того, что он означает и как влияет на ваши фотографии, поможет в создании таких снимков, какие вы хотите.

Настройки сцены

Динамический диапазон имеет два основных применения в фотографии. Первое относится к сцене, которую вы фотографируете, а второе - более техническое по своей природе и помогает описать атрибуты сенсора камеры. (Это маленький прямоугольный микрочип, который используется камерой для создания изображений, как маленькая квадратик цифровой пленки).

В большинстве случаев фотограф старается сделать изображение с хорошей экспозицией, что означает, что светлые участки не слишком светлые, а темные – не слишком темные. В этом смысле динамический диапазон относится к общему количеству света, полученного в данной сцене. Если вы делаете фотографию с множеством светлых участков, наполненных светом, в сочетании с темными участками, окутанными тенями, то сцена может быть описана как имеющая широкий динамический диапазон (высокую контрастность). Если, однако, сцена освещена таким образом, что она не слишком светлая и не слишком темная, то можно сказать, что она имеет низкий динамический диапазон (низкая контрастность).

Этот снимок гуся имеет низкий динамический диапазон, то есть он равномерно экспонирован без каких-либо участков определенно светлых или темных.

Нет правильного и неправильного

Нет плохих или хороших сцен, но важно знать, когда вы идете фотографировать и в каких условиях освещения, чтобы вы могли планировать в соответствии с ними. Если вы снимаете в середине дня, то, скорее всего, получите очень яркое изображение с множеством теней, потому что солнечный свет интенсивный и находится над головой. Это называется сценой с высоким динамическим диапазоном, так как содержит очень светлые и очень темные элементы. Вы должны знать, как контролировать сцену, а также вашу камеру, чтобы получить желаемый снимок.

Этот снимок гуся был сделан в условиях , которые привели к высокому динамическому диапазону . Некоторые участки очень светлые, а другие скрыты в тенях.

Передайте свое виденье

При съемке важно учитывать динамический диапазон. Понимание ситуации, в которой вы фотографируете, является необходимым условием для получения желаемого результата. Рисуя светом, вы должны понимать, как он воздействует на ваши снимки.

Например, вот портрет, который я сделал на улице в солнечный день. Моя модель была хорошо освещена, но задний план позади нее был слишком ярким. Это привело к тому, что я не был доволен снимком. Внимание зрителя должно быть на ее лице, но яркий задний план отвлекает.

Гистограмма даст вам подсказки о динамическом диапазоне

Взгляд на гистограмму этого изображения подтверждает то, что я понял, взглянув на сцену. Большая часть данных рассредоточена слева и справа. Это означает, что сцена содержит как очень яркие, так и очень темные участки, а, следовательно, имеет широкий динамический диапазон.

Такие фотографии не обязательно неудавшиеся. Некоторые фотографы предпочитают широкий динамический диапазон, создавая ощущение контраста и пронзительности, которых зачастую не хватает в условиях равномерной экспозиции. Лично я не являюсь большим поклонником такого типа изображений, и в данном случае все было легко исправить, лишь немного повернувшись и использовав здание для более ровной экспозиции.

Опять же, я могу взглянуть на гистограмму в Lightroom и увидеть, что данные более не разделены в двух крайних точках, а распределены более равномерно. Кроме того, вы можете использовать режим Live View в вашей камере и видеть гистограмму в реальном времени во время съемки. Если вы видите, что она выглядит как две горы с долиной между ними, то это говорит о том, что сцена получится с гораздо большим контрастом, чем вы можете предпочесть.

HDR – высокий динамический диапазон

Один трюк, который некоторые фотографы используют в последнее время, называется HDR или обработка в высоком динамическом диапазоне. Это способ получить лучшее, комбинируя несколько композиций в одном изображении путем использования только нужных частей. Таким образом, в сцене, где есть очень яркие и темные участки, вы можете взять несколько снимков – недоэкспонированных и переэкспонированных, и объединить их в программе на вашем телефоне или компьютере, и в итоге получить изображение с ровной экспозицией. Единственный недостаток этого заключается в том, что финальное изображение может казаться неправдоподобным и искусственным для человеческих глаз (если техника HDR применена неправильно).

Технологии спасения

Человеческий глаз – это биологическое чудо. Даже современные цифровые камеры не могут приблизиться к тому, чтобы соответствовать нашим собственным окулярным инструментам. Сенсоры цифровых камер сегодня на шаг впереди своих предшественников, которые существовали 10 или даже 5 лет назад, но наши собственные глаза легко их превосходят, когда речь идет о динамическом диапазоне.

Предельный высокий динамический диапазон и проблема, которую он собой несет

В качестве примера попробуйте стать в комнате в солнечный день с большим количеством теней. Это создает сцену с высоким динамическим диапазоном, так как она содержит как очень яркие (за окном), так и очень темные участки (внутри комнаты). Ваши глаза все еще смогут отличить цвета и формы внутри комнаты, а также все, что находится за окном. Но попробуйте сделать фотографию. Вы получите изображение, экспонированное по светам (т.е., на улице) с темной комнатой, либо экспонированное по комнате (т.е., тени), и ничего за окном не будет видно.

Камера экспонировала по светам, оставив комнату в темноте.

Большинство камер передают сцену таким образом. Однако, техника HDR может быть использована, чтобы создать несколько изображений с разными экспозициями, которые можно комбинировать в один снимок с ровной экспозицией.

Камера экспонировала по теням, сделав вид за окном слишком ярким.

Технологии развиваются

Несмотря на то, что наши глаза превосходят любую камеру, в последнее время сенсоры цифровых камер гораздо лучше передают яркие и темные участки сцены, но только самые яркие и самые темные. В этом смысле термин «динамический диапазон» относится не к условиям освещения, а к возможностям сенсора камеры.

Некоторые модели, как Nikon D810 или Canon 5D Mark IV настолько продвинуты, что одно изображение в формате RAW может быть обработано с возможностью восстановить все данные, которые обычно утрачиваются. Например, когда я снимал этот восход, я экспонировал по светам и получил красивое чистое изображение с богатыми цветами на небе, но побочным эффектом было то, что земля стала совсем черной.

Благодаря технологии, заключенной в сенсоре Nikon 750, камера захватила гораздо больше данных, чем вы можете увидеть изначально. Я снимал в RAW при ISO 100, что означает, что я мог использовать преимущество большого количества данных, полученных в этом изображении, и восстановить их из теней.

То же изображение, но со значительно меньшими тенями после обработки в Lightroom .

Это преувеличенный пример и обычно я не рекомендую применять такую сильную обработку. Но я использую его, чтобы проиллюстрировать, какой динамический диапазон содержат современные сенсоры камер. Другой пример, пожалуй, более реалистичный, показывая важность сенсора, способного захватить высокий уровень динамического диапазона.

Первое изображение прямо из камеры (Nikon D7100). Хотя элементы заднего плана довольно хорошо экспонированы, белка и дерево слишком темные. Поскольку сцена сама по себе имеет высокий уровень динамического диапазона, то получить правильную экспозицию довольно сложно. К счастью, я мог использовать Lightroom, чтобы вытянуть большое количество деталей в тенях, которые могли бы быть утрачены, если сенсор имел бы низкий динамический диапазон.

Необработанный снимок с хорошо экспонированным небом и недоэкспонированными объектами.

Несколько щелчков мыши на моем компьютере позволило значительно улучшить оригинал.

Заключение

На протяжении многих лет производители камер были вовлечены в соревнование с тем, чтобы создать продукт, имеющий больше мегапикселей. Но в последнее время эта цифровая гонка вооружений зашла в тупик, так как 20-24 мегапикселя, которыми оснащены практически большинство камер, в высшей степени подходят практически для любой ситуации. Вместо этого фокус сместился на то, чтобы улучшить такие параметры, как ISO и расширить динамический диапазон сенсора. Это будет продолжаться до тех пор, пока сенсоры не станут настолько хороши, чтобы делать качественные фотографии в любых условиях.

Действительно, мы живем в такие удивительные времена, когда наши камеры могут создавать прекрасные картины светом, так сказать, практически в любом свете.

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.