Динамический диапазон и фотографическая широта. Динамический диапазон в цифровой фотографии

Последнее время в интернете появляется все больше и больше оригинальных изображений, визуально весьма нетипичных - красочных, предельно детализированных, напоминающих то ли картины художников-реалистов, то ли качественные иллюстрации к рисованным мультфильмам. Аббревиатура HDR с момента появления на свет прочно вошла в обиход виртуальных завсегдатаев, получив в их жаргоне транслитерацию ХДР. Кто не знал ее смысла, вторил знатокам, старательно выписывая заглавные буквы, дабы не спутать ХДР с ГДР или, чего доброго, с КГБ. Ну а сами знатоки тем временем раскручивали это новое направление в фотографии вовсю, создавая блоги, дискутирую в форумах, а главное - размещаясь в интернет - галереях. Собственно то, что скрывалось за данной аббревиатурой, лучше всего делало рекламу само по себе. Одни называли гиперреальные изображения заразной болезнью, другие - свидетельством вырождения классической фотографии, третьи - прогрессивным выражением передовых тенденций в современном цифровом исскустве.

Споры продолжаются и по сей день, принимая еще более крайние формы. Правда, скептики успеха и аутентичности нового направления постепенно начинают принимать вещи такими, как есть. А HDR-апологеты называют в качестве гипотетических пропагандистов новой техники исполнения векиких экспериментаторов Мэна Рэя и Ласло Моголи-Надя, которые, будь они живы в наше время, обязательно пришли бы к чему-то подобному. Интересна точка зрения одного из известных HDR-фотографов, Джеспера Кристенсена: «Новые технические возможности современных визуальных медиасредств, в том числе и фотографии, неизменно влекут за собой попытки и поиски авторов в соответствующих их духу направлениях новых обликов художественного выражения. Более того, переплетения на техническом уровне порождают и смешения на уровне сюжетном, эстетическом. Гибридные образы, подобные HDR, - это уже даже не феномен нашего времени, а однозначно - доминирующая тенденция будущего». Но к морально-эстетическим аспектам темы мы, вероятно, еще вернемся в будущих
публикациях. А пока мы коснемся, прежде всего, теоретических основ и практической стороны получения HDR-изображений.

Проблема динамического диапазона

Без теории - никуда. Но мы постараемся изложить ее доступными формулировками. Итак, английский термин HDR содержит в себе качественное определение одного давно знакомого нам понятия - динамический диапазон (дословный перевод HDR - «высокий динамический диапазон»). Разложим его по частям, начав с ключевого определения - «высокий». Что же такое динамический диапазон? Наверняка наши постоянные читатели представляют его себе хотя бы в общих чертах. Сейчас пришло время углубиться в детали. Верно, ДД в фотографии характеризует соотношение между максимально и минимально измеримой интенсивностью света. Но в реальном мире не существует чисто белого или чисто черного цвета, а есть лишь различные уровни интенсивности источников света, варьирующиеся вплоть до бесконечно малых величин. Из-за этого теория ДД усложняется, а сам термин, помимо характеристики реального соотношения интенсивности освещения фотографируемого сюжета, может быть применен к описанию цветовых градаций, воспроизводимых устройствами фиксации визуальной информации - камерами, сканерами, или устройствами ее вывода - мониторами, принтерами.

Человек пришел в этот мир полностью самодостаточным, он - идеальный «продукт» эволюционного природного развития. Применительно к фотографии это выражается в следующем: глаз человека способен различать диапазон интенсивности света, находящийся в пределах от 10-6 до 108 кд/м2 (кандел на кв. метр; кандела - единица измерения световой интенсивности, равная силе света, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540х1012 Гц, которая в свою очередь соответствует частоте зеленого цвета).

Интересно взглянуть на следующие величины: интенсивность чистого звездного сияния равна лишь 10-3 кд/м2, закатного/рассветного света - 10 кд/м2, а освещенной прямым дневным светом сцены - 105 кд/м2. Яркость солнца приближается к миллиарду кандел на кв. метр. Таким образом, очевидно, что способности нашего зрения попросту феноменальны, особенно если противопоставить им возможности придуманных нами устройств вывода информации, например ЭЛТ-мониторов. Ведь они могут корректно передавать изображения с интенсивностью всего от 20 до 40 кд/м2. Но это так, для общей информации - для разминки и сравнения. Однако вернемся к динамическому диапазону, который касается нас, цифровых фотографов, в наибольшей мере. Его широта напрямую зависит от размеров ячеек сенсоров камер.

Чем они больше, тем шире ДД. В цифровой фотографии для описания его величины придуманы f-стопы (часто обозначаются как EV), каждый из которых соответствует изменению интенсивности света в два раза. Тогда, например, сюжет с разбросом уровня контрастности 1:1024 будет содержать 10 f-стопов динамического диапазона (210-1024). Зеркальная цифровая камера воспроизводит ДД, равный 8-9 f-стопов, плазменные ТВ-панели - до 11, а фотоотпечатки вмещают не больше 7 f-стопов. Тогда как соотношение максимальной и минимальной контрастности для вполне типичной сцены - яркий дневной свет за окном, плотная полутень в комнате - может достигать 1:100 000. Нетрудно подсчитать, что это будет соответствовать 16-17 f-стопам. Кстати, глаз человека одновременно воспринимает диапазон контрастности 1:10 000. Так как наше зрение фиксирует отдельно интенсивность освещения и его цвет, то одновременно доступная глазу гамма светов составляет 108 (10 000 оттенков яркости умножить на 10 000 оттенков цвета).

Проблемы битовой глубины

Обратите внимание - в нашу беседу закралось слово «цвет», присоединяясь к понятиям «интенсивность» и «контрастность». Посмотрим, чем оно является в контексте динамического диапазона. Переместимся на пиксельный уровень. Вообще-то говоря, каждый пиксель изображения имеет две основные световые характеристики - интенсивность и цвет. Это понятно. Как измерить количество уникальных цветов, составляющих колористическую гамму снимка? С помощью битовой глубины - числа нулей и единиц, битов, используемых для обозначения каждого из цветов. Применительно к ч/б изображению битовая глубина определяет количество оттенков серого. Картинки с большей битовой глубиной могут охватывать более значительное количество оттенков и цветов, поскольку содержат больше комбинаций нулей и единиц. Каждый цветной пиксель в цифровом изображении представляет собой определенную комбинацию трех цветов - красного, зеленого и синего, которые часто именуются цветовыми каналами. Диапазон их цветовой интенсивности указывается в битах на канал.

В то же время биты на пиксель (англ. сокращение - bpp) подразумевают общую сумму битов, имеющуюся в трех каналах и фактически представляют количество цветов в одном пикселе. Например, при записи цветовой информации в 8-битовых JPEG’ах (24 бита на пиксель) используется по восемь нулей и единиц для характеристики каждого из трех каналов. Интенсивность синего, зеленого и красного цветов обозначается 256 оттенками (градациями интенсивности). Число 256 удачно кодируется в двоичной системе и равняется 2:8. Если скомбинировать все три цвета, то один пиксель 8-битового изображения можно будет описывать 16 777 216 оттенками (256?256?256, или 224). Исследователи выяснили, что 16,7 млн оттенков вполне достаточно для передачи изображений фотографического качества. Отсюда и знакомый нам «true color». Будет ли изображение считаться имеющим более широкий ДД или нет, по большому счету зависит от его количества битов на цветовой канал. 8-битовые снимки считаются изображениями LDR (low dynamic range - узкий динамический диапазон). 16-битовые картинки, получаемые после конвертации RAW, также относят к категории LDR. Хотя их теоретический ДД мог бы равняться 1:65 000 (216). На самом деле, производимые большинством камер RAW-изображения имеют ДД не больше, чем 1:1000. К тому же при конвертации RAW используется одна стандартная тональная кривая, независимо от того, конвертируем мы файлы в 8- или 16-битные изображения. А поэтому, работая с 16 битами, вы получите больше четкости в определении оттенков/градаций и интенсивности, однако не получите ни «грамма» дополнительного ДД. Для этого вам понадобятся уже 32-битные изображения - 96 бит на пиксель! Их мы и будем называть High Dynamic Range Images - HDR(I).

Решение всех проблем

Снимки с расширенным динамическим диапазоном… Давайте еще раз нырнем в теорию битов. Всем знакомая модель RGB до сих пор является универсальной моделью описания изображений. Цветовая информация по индивидуальным пикселям кодируется в виде комбинации трех цифр, соответствующих уровням интенсивности оттенков. Для 8-битных изображений она будет находиться в пределах от 0 до 255, для 16-битных - от 0 до 65 535. Согласно модели RGB, черный цвет представляется как «0,0,0», то есть полное отсутствие интенсивности, а белый - как «255, 255, 255», то есть цвет с максимальной интенсивностью трех основных цветов. В кодировке допускается использование только целых чисел. Тогда как применение вещественных чисел - 5,6 или 7,4, да и любых дробных чисел с плавающей запятой, в рамках RGB-модели попросту недопустимо. Вот на таком противоречии и зиждется изобретение одного из американских компьютерных гениев Пола Дебевеца. В 1997 г. на ежегодной конференции специалистов в области компьютерной графики SIGGRAPH Пол изложил ключевые моменты своей новой научной работы, касающейся способов извлечения карт расширенного динамического диапазона из фотоснимков и их интеграции в визуализированные сцены с помощью нового графического пакета Radiance. Тогда-то впервые Пол и предложил съемку одного сюжета множество раз с изменяющимися значениями экспозиции и последующим объединением снимков в одно HDR-изображение. Грубо говоря, информация, которую содержат такие изображения, соответствует физическим величинам интенсивности и цвета. В отличие от традиционных цифровых изображений, состоящих из цветов, понимаемых устройствами вывода - мониторами, принтерами.

Указание величин освещенности вещественными числами теоретически снимает любые ограничения на вывод динамического диапазона. Скептики могут спросить, например, почему бы просто не добавлять все больше битов, охватывая ими самый экстремальный разброс световой и тональной контрастности? Дело в том, что в снимках с узким ДД для представления светлых тонов используется значительно большее количество битов, чем для темных. Поэтому по мере добавления битов пропорционально будет увеличиваться и часть тех из них, которые идут на более точное описание вышеуказанных тонов. А эффективный ДД практически останется неизменным. И напротив, числа с плавающей запятой, являясь линейными величинами, всегда пропорциональны фактическим уровням яркости. За счет этого биты равномерно распределяются по всему ДД, а не только концентрируются в области светлых тонов. Вдобавок такие числа фиксируют значения тонов с постоянной относительной точностью, ведь мантисса (цифровая часть), скажем, у 3,589?103 и 7,655?109, представлена четырьмя цифрами, хотя второе и больше первого в два миллиона раз.

Экстрабиты HDR-изображений позволяют передавать бесконечно широкий диапазон яркостей. Все могли бы испортить мониторы и принтеры, не признающие нового языка HDR, - у них своя фиксированная шкала яркостей. Но умные люди придумали такой процесс, как «tone mapping» - тональное сопоставление или отображение (дословно - создание карты), когда происходит перевод 32-битного HDR-файла в 8- или 16-битный, подогнанный под более ограниченный ДД устройств отображения. По сути, идея tone mapping базируется на решении проблемы потери деталей и тональностей в областях максимальной контрастности, их расширении с целью передачи всеобъемлющей цветовой информации, заложенной в 32-битном цифровом изображении.

С чего начинается удачный HDR

О тональных сопоставлениях очень хорошо знает один из наших четырех сегодняшних героев - итальянец Джанлука Несполи. Он, пожалуй, наиболее технически подкован. Помимо Photoshop, он с энтузиазмом экспериментирует с другими профессиональными графическими пакетами, в том числе и такими, которые были специально созданы для оптимизации HDR-результатов. Прежде всего, это Photomatix. Программа, соединяя несколько снимков с различной экспозицией, создает 32-битный файл с расширенным ДД, а затем подвергает его «тоун маппингу», применяя один из двух алгоритмов, называемых также операторами: глобальным или локальным. Процесс сопоставления по схеме глобального оператора сводится к обобщению интенсивностей пикселей вместе с тональными и прочими характеристиками изображения. В работе локального оператора, помимо этого, учитывается также и расположение каждого пикселя по отношению к остальным. В принципе, функция генерирования HDR-изображений вместе с сопутствующим «тоун маппингом» реализована и в Photoshop CS2. Ее вполне достаточно для заданий, которые реализуют датчанин Кристенсен и молодая фотохудожница из Санкт-Петербурга Микаэлла Райнрис. Наш четвертый герой - Густаво Оренштайн - по-прежнему не решил, какому из рабочих инструментов отдать предпочтение, а потому склонен к экспериментам с новыми программными HDR-ресурсами.

Чуть ниже мы рассмотрим практические нюансы работы с каждой из двух основных программ, обобщив рекомендации, полученные от этих фотоиллюстраторов новой волны. А пока прикинем, какой исходный материал необходим для получения изображений с расширенным ДД. Очевидно, что без нескольких снимков с различными значениями экспозиции не обойтись. Достаточно ли будет одного «сырого» RAW? Не совсем. Общий ДД, полученный после конвертации одного даже самого большого RAW-изображения с различными значениями уровня экспозиции, не может быть шире того динамического диапазона, который воспроизвела ваша камера. Это все равно, что разрезать ДД снимка в режиме RAW на несколько частей.

«Сырые» файлы кодируются 12 битами на канал, соответствующими разбросу контрастностей 1:4096. И только из-за неудобства 12-битной кодировки получаемым из RAW изображениям в формате TIFF присуждается 16 бит на канал. Одним RAW еще можно как-то обойтись, если речь не идет о высококонтрастной сцене. Съемка же нескольких кадров, предназначенных для дальнейшего объединения в одно целое, требует соблюдения определенных процедур настройки параметров отработки экспозиции, да и физического монтажа самой камеры. В принципе, и Photoshop, и Photomatix корректируют незначительные нестыковки при накладывании пиксельных массивов друг на друга, возникающие на снимках из экспозиционной серии вследствие отсутствия должной фиксации камеры. К тому же зачастую очень короткие выдержки и хорошая скорость съемки аппарата в режиме автоматического брекетинга (что особенно важно, если объект в кадре перемещается) позволяют компенсировать возможные перспективные искажения. Но все же крайне желательно свести их на нет, а для этого камере потребуется надежная опора в виде хорошего штатива.

Джеспер Кристенсен повсюду носит сверхлегкий карбоновый штатив Gitzo. Иногда для большей устойчивости подвешивает к его центральной колонне сумку, не прикасается к кнопке спуска затвора, используя пульт ДУ или таймер автоспуска, и блокирует зеркало своей Canon 20D. В настройках камеры главным, помимо сохранения постоянной диафрагмы для всех снимков, которые составят будущее HDR-изображение, является определение их количества и диапазона отработки экспозиции. Сначала, с помощью точечного замера камеры, если, конечно, таковой имеется, произведите считывание уровня освещенности самой темной и самой светлой областей сцены. Вот этот спектр ДД вам и необходимо записать с помощью нескольких экспозиций. Задайте минимальное значение светочувствительности ISO. Любые шумы в процессе «тоун маппинга» будут подчеркнуты еще больше. Про диафрагму мы уже сказали. Чем контрастнее сюжет, тем меньше должен быть экспозиционный интервал между снимками. Иногда может понадобиться до 10 кадров с интервалом 1 EV (каждая экспозиционная единица соответствует изменению уровня освещения в два раза). Но, как правило, достаточно 3-5 кадров RAW, отличающихся между собой двумя стопами освещенности. Большинство камер среднего уровня позволяют проводить съемку в режиме брекетинга экспозиции, вмещая в диапазон +/-2 EV три кадра. Функцию автоматического брекетинга легко обмануть, заставив снимать в диапазоне, который в два раза шире. Делается это так: выбираете подходящую центральную экспозицию, и прежде чем выстрелить три положенных кадра, задаете значение компенсации экспозиции -2 EV. После их отработки быстренько перемещаете ползунок компенсации к отметке +2 EV и выстреливаете еще одну очередь из трех кадров. Таким образом, после удаления продублированной центральной экспозиции у вас на руках останется пять кадров, покрывающих участок от +4 EV до -4 EV. ДД такой сцены будет приближаться к отметке 1:100 000.

с Photoshop в мир HDR

Доступный всем Photoshop делает доступными и изображения с расширенным динамическим диапазоном. В меню «Инструменты» находится команда Merge to HDR. Именно с нее и начинается путь к презентабельному HDR-изображению. Сначала все ваши объединенные экспозиции предстанут в виде одного снимка в окошке превью - это уже 32-битная картинка, однако монитор пока не в состоянии отобразить всех ее преимуществ. Помните, «глупый» монитор является всего лишь 8-битным устройством вывода. Ему, как нерадивому школьнику, нужно все разложить по полочкам. Но гистограмма в правом углу окошка уже многообещающе растянулась, став похожей на горную вершину, что говорит обо всем потенциале ДД, содержащемся в только что созданном изображении. Ползунок в нижней части гистограммы позволяет увидеть детали в том или ином тональном диапазоне. На данной стадии ни в коем случае не следует задавать битовую глубину меньше 32. Иначе программа сразу же обрежет тени и света, ради которых, собственно, весь этот сыр-бор.

Получив от вас добро на создание очередного HDR-чуда, Photoshop сгенерирует изображение, открыв его в основном рабочем окне программы. Скорость реагирования ее алгоритмов будет зависеть от мощности вашего процессора и объема оперативной памяти компьютера. Однако при всех ужасающих перспективах получить на выходе что-то очень массивное, многомегабайтное 32-битный HDR (при условии, что он собран, например, из трех снимков) будет «весить» только около 18 Мб, в противоположность одному 30-Мб стандартному TIFF’у.

Фактически, до этого момента наши действия были лишь частью подготовительного этапа. Теперь пришло время инициировать процесс соотнесения динамических диапазонов полученного HDR-изображения и монитора. 16 бит на канал в меню Mode - наш следующий шаг. Photoshop осуществляет «тоун маппинг», используя четыре различных метода. Три из них - экспозиция и гамма, сжатие светов и выравнивание гистограммы - утилизируют менее изощренные глобальные операторы и позволяют настраивать вручную только яркость и контрастность снимка с расширенным ДД, сужают ДД, пытаясь сохранить контраст, или же урезают света так, чтобы они вошли в диапазон яркостей 16-битного изображения.

Наибольший интерес представляет четвертый способ - локальная адаптация. Микаэлла Райнрис и Джеспер Кристенсен работают именно с ним. Поэтому о нем немного подробнее. Основной инструмент здесь - тональная кривая и гистограмма яркостей. Смещая кривую, разбитую якорными точками, вы сможете перераспределить уровни контрастности по всему ДД. Вероятно, понадобится обозначить несколько тональных областей вместо традиционного разделения на тени, средние тона, света. Принцип настройки данной кривой абсолютно идентичен тому, на котором зиждется фотошоповский инструмент Curves. А вот функции ползунков Radius и Threshold в данном контексте весьма специфические. Они контролируют уровень изменения локального контраста - то есть улучшают детализацию в масштабе небольших областей снимка. Тогда как кривая, напротив, корректирует параметры ДД на уровне всего изображения. Радиус указывает количество пикселей, которые оператор «тоун маппинга» будет считать локальными. Например, радиус в 16 пикселей означает, что области подгонки контрастности будут очень плотными. Тональные сдвиги примут явно заметный, слишком обработанный характер, HDR-изображение хотя и расцветет богатством деталей, но предстанет абсолютно неестественным, лишенным и намека на фотографию. Большой радиус тоже не выход - картинка получится более натуральной, но скучноватой в плане деталей, лишенной жизни. Второй параметр - порог - устанавливает предел разницы яркостей соседних пикселей, который позволит включить их в одну и ту же локальную область регулировки контрастности. Оптимальный диапазон значения порога - 0,5-1. После освоения вышеуказанных компонентов процесс «тоун маппинга» можно считать благополучно завершенным.

С Photomatix в мир HDR

Специально для всех нуждающихся в фотоснимках с очень широким ДД в 2003 г. французы придумали программку Photomatix, последняя версия которой сегодня доступна для бесплатного скачивания (полностью функциональна, только оставляет на снимке свой «водяной знак»). Многие любители HDR-затравки считают ее более расторопной, когда дело касается подгонки тональностей и интенсивностей 32-битного изображения с урезанными параметрами битовой глубины устройств вывода. К ним принадлежит и итальянец Джанлука Несполи. Приведем его слова: «HDR-картинки, генерированные этой программой, отличает лучшая проработка деталей неба и деревьев, они не выглядят слишком “пластмассовыми”, демонстрируют более высокий уровень контрастности и цветовой тональности. Единственный минус Photomatix - усиление вместе со всеми достоинствами и некоторых недостатков изображения, таких как шумы и артефакты JPEG-компрессии». Правда, компания-разработчик MultimediaPhoto SARL обещает устранить и эти нюансы, а кроме того, c теми же шумами, например,
неплохо справляются программы вроде Neat Image.

Помимо возможности осуществлять «тоун маппинг», Photomatix располагает несколькими дополнительными настройками уровня экспозиции, а ее алгоритм соотнесения тональностей можно применять даже к 16-битным TIFF’ам. Так же, как и в Photoshop, сначала на основе отдельных снимков с варьирующей экспозицией необходимо создать 32-битное HDR-соединение. Для этого у программы есть опция Generate HDR. Подтвердите значения экспозиционного интервала, выберите стандартную тональную кривую (рекомендовано) - и Photomatix готов будет представить вам свою версию HDR-изображения. Файл будет «весить» примерно столько же, сколько и фотошоповская версия, и иметь то же расширение - .hdr или.exr, - под которым его можно сохранить до начала процесса «тоун маппинга». Последний инициируется путем выбора соответствующей команды в главном меню HDRI программы. В его рабочем окошке вмещается много различных настроек, способных привести в замешательство. На самом деле, ничего сложного здесь нет. Гистограмма показывает распределение яркостей пропущенного через «тоун маппинг» снимка. Ползунок Strength определяет уровень локального контраста; параметры Luminosity и Color Saturation отвечают соответственно за яркость и цветовую насыщенность. Точки отсечения светлой и темной областей гистограммы вполне можно оставить по умолчанию. Photomatix предлагает всего четыре установки функции сглаживания контрастности в противоположность более точным настройкам Photoshop в пределах от 1 до 250. По правде говоря, такой уровень контроля не всегда желателен. Вряд ли непрофессионалу важна та разница, которая будет присутствовать между значениями радиуса сглаживания, скажем, 70, 71 и 72. Настройка микроконтраста обращается к локальному уровню, однако в случае использования изначально шумных или насыщенных всякого рода артефактами снимков, ею не следует злоупотреблять.

Когда "тоун маппинг" примирит монитор с HDR-изображением...

…можно подключать предыдущие навыки по обращению с Photoshop и редактировать HDR-изображение на свой вкус, страх и риск. Помните, пока что отношение фотопублики к продуктам искусственно созданной широкодиапазонной природы неоднозначное. «Если хотите иметь успех на этой ниве, постарайтесь выработать свой оригинальный стиль, а не упражняйтесь в повторении, - напутствует Микаэлла Райнрис. - В таком тонком и повсеместно копируемом на любительском уровне деле, как HDR, это особенно важно».

В постобработке, следующей за процессом «тоун маппинга», фотохудожница отдает предпочтение маскам слоев и размытиям на них (инструменты группы Blur, в частности - размытие по Гауссу). Из режимов наложения слоев Микаэлла любит Overlay и Color, позволяющие достигать требуемого уровня контрастности. Густаво Оренштайн и Джеспер Кристенсен добавляют сюда еще и Soft Overlay. Джеспер работает на таком слое кисточками инструментов «осветлитель» и «затемнитель». Первый помогает четче прорисовать детали в тенях, второй - создать драматическую контрастность. Без них в своей работе не обходится и Микаэлла, и Густаво. Тогда как Джанлука предпочитает затемнителю и осветлителю обычную рисовальную кисточку в режиме наложения слоев Overlay с минимальным уровнем прозрачности (opacity). Для придания изображениям должной цветовой насыщенности он работает с настройками hue/saturation и selective color. Джанлука создает дубликат слоя; к нему он применяет фильтр «размытие по Гауссу» (радиус 4 пикселя, показатель прозрачности - 13 %) и накладывает в режиме multiply или overlay. Затем он вызывает еще один дубликат и занимается уровнями насыщенности отдельных цветов в нем, особенно - белого, черного и нейтрального серого, которые и создают дополнительное ощущение широкого динамического диапазона. Из четверых наших экспертов только Джеспер Кристенсен активно использует цифровые графические планшеты Wacom, но мог бы прекрасно обходиться и без них - устройства нужны ему для других проектов.

Вообще говоря, постобработка HDR-изображений - вопрос, конечно, сугубо личный, зависящий не столько от технических возможностей программы, сколько от субъективного творческого видения художника. И было бы бессмысленно рассказывать о сотнях индивидуальных предпочтений каждого из сегодняшних авторов. Кто-то, как Микаэлла, стремится к простоте в выборе инструментов реализации визуальных задач. Для нее, например, фотошоповский shadow/highlight дороже всех самых дорогих и изощренных плагинов. А кто-то, вроде маэстро Оренштайна, продолжает экспериментировать с Photomatix, HDR Shop, Light Gen и тому подобными расширителями ДД. Бывалым пользователям графических редакторов, вероятно, важнее сконцентрироваться не на освоении новых программных продуктов, а на выработке собственного стиля и воспитании в себе целостного творческого начала. Тогда как новичкам хотелось бы посоветовать не потеряться в технических моментах, а постараться начать с формирования высокого художественного видения и места работ этого изумительного и перспективного жанра фотоиллюстрации.

Динамический диапазон - фактически, разница значений сенсора фотокамеры, получаемых деталей при ярком освещении и при отсутствии света. Если речь идёт непосредственно о процессе фотографии, как правило, значения динамического диапазона измеряются единицами экспозиции (EV ). С динамическим диапазоном приходится также иметь дело при обращении к разным форматам фотографических файлов. Здесь характеристика динамического диапазона определяется исходя из типа данных для определенного формата файла и преследуемых целей в процессе съемки. К примеру, для формата jpeg, значения динамического диапазона определяются на основе 8-битного гамма - корректированного стандарта представления цвета sRGB . В данном случае для формата jpeg значение динамического диапазона равняется 11,7EV . Если взять другой формат - Rediance HDR , здесь уже значение динамического диапазона приближается к 256EV .

Нередко под рассматриваемым термином понимают любую разницу отношений сигналов яркости в процессе фотографии. Допустим, разницу отношений яркостных сигналов наиболее светлых и наиболее темных тонов, разницу отношений яркостного сигнала белого и черного полей на фотобумаге, разницу отношений оптических плотностей фотопленки и т.д. В каждом определенном случае характеристику динамического диапазона, с точки зрения количества бит, необходимых для формирования информации, также следует рассматривать с разных точек зрения. К примеру, цифро - аналоговым преобразователем фотоаппарата на 10, 12, 14 бит, как правило, считываются значения по линейной шкале, а в случаях с форматами фотографических файлов используются значения гамма - корректированного стандарта. Нередко встречается достаточно много отдельных нюансов, когда динамический диапазон, измеряемый компьютерным форматом представления чисел (числа половинной точности), несколько шире диапазона, представленного целыми числами, несмотря на тот момент, что речь в обоих случаях идёт о 16-ти битах.

Современные фотографические камеры и фотопленки обладают недостаточной шириной динамического диапазона, чтобы можно было иметь возможность без искажений передавать любой сюжет. Недостаток особенно заметен при эксплуатации компактных цифровых фотоаппаратов и цветных обращаемых фотопленок. Многие современные цифровые камеры обеспечивают пользователю брекетинг , но зачастую неспособны точно передать яркий пейзаж с теневыми объектами в дневных условиях съемки. Однако проблемы недостатка широты динамического диапазона вполне решаемы. Для этого применяются: коррекция освещенности объектов, постановка искусственного освещения, установка специальных режимов работы фотоаппаратов и прочие методы. Также можно компенсировать недостаток динамического диапазона без учета изменений освещения, сцены, ракурса. В этом варианте увеличивают значения динамического диапазона сенсоров фотокамер либо прибегают к комбинации изображений, отснятых с разными значениями экспозиции. Глубина динамического диапазона зависит от размера матрицы , чем она больше, тем больше деталей на фотографии.

Между тем, каждый из двух отмеченных вариантов требует учитывать некоторые моменты:

Использование определенного формата файла для записи изображения с более широким яркостным диапазоном. К таким форматам сегодня относятся: OpenEXP , Radiance HDR , Photoshop , RAW , Microsoft HD Photo .

Применение метода тональной компрессии в процессе производства изображений и фотоснимков, для получения изображения с широким динамическим диапазоном.

Использование метода тонального отображения с целью нелинейного изменения яркости отдельных пикселей.

Последняя методика тональное отображение сегодня широко применяется для обработки изображений, имеющих малый диапазон значений яркости. С помощью метода тонального отображения появляется возможность повышения значения локального контраста для таких изображений. Между тем, многие профессиональные фотографы довольно скептически относятся к методике тонального отображения, считая данный способ расширения динамического диапазона «фантастическим ». Всё дело в том, что в результате обработки, получается, так сказать, фотография 4000 в образе близком к стилистике изображений для компьютерных игр.

Я думаю, что многие, взяв в руки фотоаппарат, не раз замечали, что наш глаз видит совсем иначе, чем камера. Особенно часто это заметно в облачный день: мы видим небо и отдельные облака, а на фотографии просто белое пятно, или наоборот — небо реальное, с текстурой, но все, что внизу, темное как-будто вечером. Этот эффект напрямую зависит от широты динамического диапазона камеры. В сегодняшней статье как раз и попробуем разобраться, что же такое динамический диапазон и сформулируем несколько правил, которые позволят избежать ошибок с ним связанных.

Для начала давайте определимся с самим понятием. Динамический диапазон — это способность камеры одновременно передавать и светлые и темные детали снимаемой сцены. В качестве примера можно представить себе картинку плавно залитую от черного к белому цвету.

Верхняя полоска показывает, как видим мы, вторая, как «видит» сцену камера. Ее динамический диапазон уже, чем у человеческого глаза, и часть темных и светлых деталей будет потеряна, вместо них будет равномерный черный или белый цвет соответственно. Если мы намеренно укажем камере на тени, то динамический диапазон не расширится, он сдвинется за счет увеличения потерь в светах, как на третьей полосе. Если наоборот, попробуем сохранить яркие детали, у нас возрастут потери в тенях (четвертая полоска). Конечно это очень упрощенный вариант, ведь мы видим в цвете, да и способность глаза к адаптации в различных условиях освещения не позволяет напрямую сравнивать его с матрицей камеры, но в целом картинка похожая.

В качестве более реального примера фотография выше. Кадр был сделан в одинадцать часов утра, когда солнце было уже высоко, при почти безоблачном небе, вспышка была направлена в сторону т.е. ее воздействие на освещенность сцены минимально. В результате, из-за нехватки динамического диапазона, мы видим большое светлое пятно на заднем плане, которое осталось практически без деталей, при этом сама фотография получилась темноватой. На самом деле программными средствами этот кадр довольно легко исправить, но пример достаточно показательный.

Хочу отметить, что ширина динамического диапазона камеры зависит от многих параметров, но прежде всего от размера матрицы. Грубо говоря, чем больше матрица фотоаппарата, тем шире ее динамический диапазон. В тенях он ограничен уровнем шума и соответственно алгоритмами шумоподавления. В светах — возможностями матрицы анализировать «количество» света без засветки т.е. ее светочувствительностью. Это можно считать еще одним приемуществом зеркальных камер над мыльницами, можно сказать, что они всегда будут давать картинку с большим количество деталей в светах и тенях. На фотографии слева можно рассмотреть и решетку на окне и складки на одеяле, для большинства мыльниц сохранить эти части изображения было бы непосильной задачей.

Еще одной интересной особенностью современных фотокамер является неравномерность динамического диапазона — он как бы смещен в светлую часть, т.е. камера лучше «видит» светлые детали, чем темные. Это опять же обусловленно появлением цифрового шума на темных областях кадра.

Чем это важно для нас с практической точки зрения? В первую очередь тем, что мы можем сформулировать некоторые правила, которые помогут избежать потери деталей в сложных условиях освещения. при этом не стоит рассматривать потерянные детали как что-то несущественное, они могут координально изменить снимок. Скажем при съемке в солнечный день, в тени, на улице, сохранив небо, мы рискуем получить вместо зданий просто обширную темную область на фотографии. Итак, несколько простых правил, которые помогут избежать самых серьезных ошибок.

• Лучше сделать снимок более светлым, чем затемнить его. Детали в тенях из-за шума «вытянуть» сложнее, чем в светах. Конечно это верно для более-менее ровной экспозиции, в случае, когда заведомо появятся пересветы (пасмурное небо) при замере экспозиции по темным областям, лучше пожертвовать тенями, но проработать какие-то детали в светах.
• При большой разнице яркостей фотографируемой сцены нужно или постараться выровнить яркость или замерять экспозицию по темной части.
• Лучшее время для съемки утро или вечер, в полдень солнце очень яркое, а тени становятся слишком темными и камера не сможет зафиксировать все детали.
• Для портретной съемки в солнечный день нужно использовать дополнительное освещение или стараться снимать в тени, чтобы избежать излишне жестких теней.
• При прочих равных лучше пользоваться наименьшим доступным значением ISO.

Эти правила не стоит рассматривать, как жесткие и неизменные, наоборот, в некоторых случаях их нужно применять с точностью до наоборот. Например, вам хочется получить очень контрастный городской пейзаж, как вариант вы можете сделать его как раз в полдень, когда свет наиболее резкий. Но все-таки в большинстве случаев следование им поможет сделать фотографии лучше.

В следующих статьях на эту тему мы поговорим о возможностях расширения динамического диапазона в процессе обработки фотографий и специальных приемах съемки.

Динамический диапазон в фотографии описывает соотношение между максимальной и минимальной измеримой интенсивностью света (белым и чёрным, соответственно). В природе не существует абсолютно белого или чёрного - только различные степени интенсивности источника света и отражательной способности предмета. В силу этого концепция динамического диапазона усложняется и зависит от того, описываете ли вы записывающий прибор (такой как камера или сканер), воспроизводящий (такой как отпечаток или дисплей компьютера) или собственно предмет.

Как и при управлении цветом, каждое устройство в приведенной выше цепи передачи изображения имеет свой собственный динамический диапазон. В отпечатках и дисплеях ничто не может стать ярче, чем белизна бумаги или максимальная интенсивность пикселя, соответственно. По сути, ещё один прибор, который не был упомянут выше, это наши глаза, у которых тоже есть свой собственный динамический диапазон. Передача информации из изображения между устройствами таким образом может повлиять на его воспроизведение. Следовательно, концепция динамического диапазона полезна для относительного сравнения исходной сцены, вашей камеры и изображения на вашем экране или на отпечатке.

Влияние света: освещённость и отражение

Сцены с высокими вариациями яркостей отражённого света, например, содержащие чёрные объекты вдобавок к сильным отражениям, могут в действительности иметь более широкий динамический диапазон, чем сцены с большой вариативностью падающего света. В любом из этих случаев фотографии могут запросто превысить динамический диапазон вашей камеры, особенно если не следить за экспозицией.

Точное измерение интенсивности света, или освещённости, следовательно, является критическим для оценки динамического диапазона. Здесь мы используем термин «освещённость», чтобы определить исключительно падающий свет. Как освещённость, так и яркость обычно измеряются в канделах на квадратный метр (кд/м 2). Приблизительные значения для часто встречающихся источников освещения приведены ниже.

Здесь мы видим, что возможны большие вариации в падающем свете, поскольку вышеприведенная диаграмма отградуирована в степенях десяти. Если сцена неравномерно освещена как прямым, так и рассеянным солнечным светом, одно это может невероятно расширить динамический диапазон сцены (как видно из примера с закатом в каньоне с частично освещённой скалой).

Цифровые камеры

Несмотря на то, что физический смысл динамического диапазона в реальном мире - это всего лишь соотношение между наиболее и наименее освещёнными участками (контраст), его определение становится более сложным при описании измерительных приборов, таких как цифровые камеры и сканеры. Вспомним из статьи о сенсорах цифровых камер , что свет сохраняется каждым пикселем в своего рода термосе. Размер каждого такого термоса, в дополнение к тому как оценивается его содержимое, и определяет динамический диапазон цифровой камеры.

Фотопиксели удерживают фотоны, как термосы сохраняют воду. Следовательно, если термос переполняется, вода выливается наружу. Переполненный фотопиксель называют насыщенным, и он неспособен распознать дальнейшее поступление фотонов - тем самым определяя уровень белого камеры. Для идеальной камеры её контраст в таком случае определялся бы числом фотонов, которое может быть накоплено каждым из фотопикселей, поделенным на минимальную измеримую интенсивность света (один фотон). Если в пикселе может сохраниться 1000 фотонов, контрастность будет 1000:1. Поскольку ячейка большего размера может накопить больше фотонов, у цифровых зеркальных камер динамический диапазон обычно больше, чем у компактных камер (в силу большего размера пикселей).

Примечание: в некоторых цифровых камерах существует дополнительная настройка низкого ISO, которая снижает шум, но также и сужает динамический диапазон. Это происходит потому, что такая настройка в действительности переэкспонирует изображения на одну ступень и впоследствии обрезает яркости - увеличивая таким способом светосигнал. Примером могут служить многие камеры Canon, которые имеют возможность снимать в ISO 50 (ниже обычного ISO 100).

В действительности потребительские камеры не могут подсчитать фотоны. Динамический диапазон ограничен наиболее тёмным тоном, для которого более невозможно различить текстуру - его называют уровнем чёрного. Уровень чёрного ограничен тем, насколько точно можно измерить сигнал в каждом фотопикселе и, следовательно, ограничен снизу уровнем шума . В результате динамический диапазон как правило увеличивается при снижении числа ISO, а также у камер с меньшей погрешностью измерения .

Примечание: даже если бы фотопиксель мог подсчитать отдельные фотоны, подсчёт тем не менее был бы ограничен фотонным шумом. Фотонный шум создаётся статистическими колебаниями и представляет теоретический минимум шума. Итоговый шум является суммой фотонного шума и погрешности считывания.

В целом, динамический диапазон цифровой камеры таким образом может быть описан как соотношение между максимальной (при насыщении пикселя) и минимальной (на уровне погрешности считывания) измеримой интенсивностью света. Наиболее распространённой единицей измерения динамического диапазона цифровых камер является f-ступень, которая описывает разницу в освещённости в степенях числа 2. Контраст 1024:1 в таком случае может быть также описан как динамический диапазон из 10 f-ступеней (поскольку 2 10 = 1024).В зависимости от применения, каждая f-ступень может быть также описана как «зона» или «eV».

Сканеры

Сканеры оцениваются по тому же соотношению насыщенности и шума, как и динамический диапазон цифровых камер, за исключением того, что они описываются в терминах плотности (D). Это удобно, поскольку концептуально аналогично тому, как пигменты создают цвет на отпечатке, как показано ниже.

Общий динамический диапазон в терминах плотности таким образом выглядит как разница между максимальной (D max) и минимальной (D min) плотностями пигмента. В отличие от степеней 2 для f-ступеней, плотность измеряется в степенях 10 (так же, как и шкала Рихтера для землетрясений). Таким образом, плотность 3.0 представляет контраст 1000:1 (поскольку 10 3.0 = 1000).

Вместо указания диапазона плотности производители сканеров обычно указывают только значение D max , поскольку D max - D min обычно приблизительно равно D max . Это потому, что в отличие от цифровых камер, сканер контролирует свой источник света, гарантируя минимальную засветку.

Для высокой плотности пигмента к сканерам применимы те же ограничения по шуму, что и для цифровых камер (поскольку оба они используют массив фотопикселей для измерения). Таким образом, измеримая D max тоже определяется шумом, присутствующим в процессе считывания светосигнала.

Сравнение

Динамический диапазон варьируется настолько широко, что его часто измеряют логарифмической шкалой, аналогично тому как крайне различные интенсивности землетрясений измеряются одной шкалой Рихтера. Здесь приведен максимальный измеримый (или воспроизводимый) динамический диапазон для различных устройств в любых предпочитаемых единицах (f-ступени, плотность и соотношение контраста). Наведите курсор на каждый из вариантов, чтобы их сравнить.

Обратите внимание на огромную разницу между воспроизводимым динамическим диапазоном печати и измеримым сканерами и цифровыми камерами. Сравнивая с реальным миром, это разница между примерно тремя f-ступенями в облачный день с практически ровным отражённым светом и 12 и более f-ступенями в солнечный день с высококонтрастным отражённым светом.

Использовать вышеуказанные цифры следует с осторожностью: в действительности динамический диапазон отпечатков и мониторов сильно зависит от условий освещения. Отпечатки при неверном освещении могут не показать свой полный динамический диапазон, тогда как мониторы требуют практически полной темноты, чтобы реализовать свой потенциал - особенно плазменные экраны. Наконец, все эти цифры являются всего лишь грубыми приближениями; реальные значения будут зависеть от наработки прибора или возраста отпечатка, поколения модели, ценового диапазона и т.д.

Учтите, что контрастность мониторов зачастую сильно завышена , поскольку для них не существует стандарта производителя. Контрастность свыше 500:1 зачастую является результатом очень тёмной чёрной точки, а не более яркой белой. В связи с этим нужно уделять внимание как контрастности, так и яркости. Высокая контрастность без сопутствующей высокой яркости может быть полностью сведена на нет даже рассеянным светом от свечи.

Человеческий глаз

Человеческий глаз может в действительности воспринимать более широкий динамический диапазон, чем это обычно возможно для камеры. Если учитывать ситуации, в которых наш зрачок расширяется и сужается, адаптируясь к изменению света , наши глаза способны видеть в диапазоне величиной почти 24 f-ступеней.

С другой стороны, для корректного сравнения с одним снимком (при постоянной диафрагме, выдержке и ISO) мы можем рассматривать только мгновенный динамический диапазон (при неизменной ширине зрачка). Для полной аналогии нужно смотреть в одну точку сцены, дать глазам адаптироваться и не смотреть при этом ни на что другое. В этом случае существует большая несогласованность, поскольку чувствительность и динамический диапазон наших глаз меняется в зависимости от яркости и контраста. Наиболее вероятным будет диапазон из 10-14 f-ступеней.

Проблема этих чисел в том, что наши глаза исключительно адаптивны. Для ситуаций исключительно неяркого звёздного света (когда наши глаза используют палочки для ночного видения) они достигают даже более широких мгновенных динамических диапазонов (см. «Цветовое восприятие человеческого глаза »).

Глубина цветности и измерение динамического диапазона

Даже если бы чья-то камера могла охватить большую часть динамического диапазона, точность, с которой измерения света преобразуются в цифры, может ограничить применимый динамический диапазон. Рабочая лошадка, которая занимается преобразованием непрерывных результатов измерений в дискретные числовые значения, называется аналогово-цифровым преобразователем (АЦП). Точность АЦП может быть описана в терминах разрядности, аналогично разрядности цифровых изображений , хотя следует помнить о том, что эти концепции неявляются взаимозаменяемыми. АЦП создаёт значения, которые хранятся в файле формата RAW .

Примечание: вышеприведенные значения отражают только точность АЦП и не должны
использоваться для интерпретации результатов для 8 и 16-битных файлов изображений.
Далее, для всех значений показан теоретический максимум, как если бы шум отсутствовал.
Наконец, эти цифры справедливы только для линейных АЦП, а разрядность
нелинейных АЦП необязательно коррелирует с динамическим диапазоном.

В качестве примера, 10 бит глубины цветности преобразуются в диапазон возможных яркостей 0-1023 (поскольку 2 10 = 1024 уровня). Предполагая, что каждое значение на выходе АЦП пропорционально актуальной яркости изображения (то есть, удвоение значения пикселя означает удвоение яркости), 10-битная разрядность может обеспечить контрастность не более 1024:1.

Большинство цифровых камер используют АЦП с разрядностью от 10 до 14 бит, так что их теоретически достижимый максимальный динамический диапазон составляет 10-14 ступеней. Однако такая высокая разрядность всего лишь помогает минимизировать постеризацию изображения , поскольку общий динамический диапазон обычно ограничен уровнем шума. Подобно тому, как большая разрядность изображения необязательно подразумевает большую глубину его цветности , наличие в цифровой камере высокоточного АЦП необязательно означает, что она в состоянии записать широкий динамический диапазон. На практике динамический диапазон цифровой камеры даже не приближается к теоретическому максимуму АЦП ; в основном 5-9 ступеней - это всё, чего можно ожидать от камеры.

Влияние типа изображения и кривая цветности

Могут ли файлы цифровых изображений в действительности записать полный динамический диапазон высококлассных приборов? В интернете наблюдается большое непонимание взаимосвязи разрядности изображения с записываемым динамическим диапазоном.

Для начала следует разобраться, говорим мы о записываемом или отображаемом динамическом диапазоне. Даже обыкновенный 8-битный файл формата JPEG может предположительно записать бесконечный динамический диапазон - предполагая, что во время преобразования из формата RAW была применена кривая цветности (см. статью о применении кривых и динамическом диапазоне), и АЦП имеет требуемую разрядность. Проблема кроется в использовании динамического диапазона; если слишком малое число бит распространить на слишком большой диапазон цвета, это может привести к постеризации изображения .

С другой стороны, отображаемый динамический диапазон зависит от коррекции гаммы или кривой цветности, подразумеваемой файлом изображения или используемой видеокартой и монитором. Используя гамму 2.2 (стандарт для персональных компьютеров), было бы теоретически возможно передать динамический диапазон из практически 18 f-ступеней (об этом расскажет глава о коррекции гаммы, когда будет написана). И даже в этом случае он мог бы пострадать от сильной постеризации. Единственным на сегодня стандартным решением для получения практически бесконечного динамического диапазона (без видимой постеризации) является использование файлов расширенного динамического диапазона (HDR) в Photoshop (или другой программе, например, с поддержкой формата OpenEXR).

Добрый день, друзья!

Продолжаем сегодня знакомство с . Привел ссылку, где обзорно рассказывал о принципе работы фотокамер. Далее мы детальнее остановимся на отдельных элементах, о которых в общих чертах фотограф должен иметь понятие. Если будут встречаться непонятные для вас определения или термины, ничего страшного, просто продолжайте читать, и вы обязательно поймете суть. Уверен в этом! А важно именно общее понимание.

Статья довольна объемная, поэтому для удобства навигации оформил для вас содержание 🙂

Матрица в фотоаппарате. Что это такое?

Матрица в камере – это основной элемент, при помощи которого мы получаем изображение. Также часто называется сенсором или датчиком. Представляет собой микросхему, состоящую из фотодиодов – светочувствительных элементов. В зависимости от интенсивности попадающего света фотодиод формирует электрический сигнал разной величины, который впоследствии преобразуется в цифровой при помощи отдельного АЦП или встроенного в матрицу.

Матрица фиксирует свет и превращает его в набор битов (0/1), который затем формирует цифровое изображение.

Выглядит она следующим образом:

Матрица в фотоаппарате

Блестящая прямоугольная пластина по центру – это она и есть. А по краям фотографии .

Дискретная структура матрицы

Основу составляют очень маленькие фотодиоды или фототранзисторы, которые фиксируют свет и превращают его в электрический сигнал. Один такой фотодиод формирует один пиксель выходного цифрового изображения.

Небольшое отступление для тех, кто, возможно, не знает. Цифровое изображение состоит из множества точек, которые наш мозг «склеивает» в целостную картинку. Если таких точек будет недостаточно, мы станем замечать дискретность структуры, иными словами, станет казаться, будто изображение «распадается», являясь мозаичным, плавные переходы исчезнут.

Давайте рассмотрим фотографию собаки.

Дискретная структура матрицы на примере собаки

Не обращайте сейчас внимания, что она черно-белая. Абстрагируйтесь от понятия цвета, это другая тема, в данный момент так лучше будет воспринимать информацию. Матрица фиксирует электрический сигнал разной величины в зависимости от интенсивности света. И, если отнять специальные фильтры, предназначенные для получения цветного изображения, то выходная фотография получается как раз черно-белой. Кстати, камеры, снимающие исключительно в ЧБ, также существуют.

Схематически нанес на изображение сетку, иллюстрирующую дискретную, т.е. прерывную структуру матрицы. Каждый квадрат иллюстрирует минимальный элемент матрицы – пиксель, формируемый фотодиодом, на который попадает свет N-ой интенсивности и на выходе преобразуется в пиксель цифрового изображения N-ой яркости. К примеру, левый верхний угол темный – значит, на этот участок матрицы попало мало света. Шерсть, напротив, светлая – значит, туда попало больше света и электрический сигнал был иным. Естественно, изображение состоит из намного большего числа квадратиков, тут лишь схематическое изображение.

Матрица – аналог пленки

Раньше, когда не было цифровых фотоаппаратов, в качестве светочувствительного элемента, то бишь матрицы, использовалась пленка. В принципе конструкция пленочного фотоаппарата от цифрового не слишком сильно отличается, в последнем больше электроники, а вот «приемник» света совершенно иной.

Когда в пленочном фотоаппарате вы нажимаете на кнопку спуска, открывается затвор, и свет попадает на пленку. До момента закрытия затвора происходит химическая реакция, результат которой – изображение, хранящееся на пленке, но невидимое глазу до момента проявки. Пример такого химического процесса – разложение галогенида серебра на атомы галогена и серебра.

Как видите, сама суть совершенно другая. Пишу это для того, чтобы вы запомнили, что в современном мире матрица выполняет функции пленки, т.е. формирует изображение. Кстати, разница между ними в хранении: пленка является непосредственно и местом хранения конечного изображения, в цифровой фотографии изображение сохраняется на картах памяти.

Экспонирование матрицы

Важный термин, который часто используют фотографы. Означает сам процесс получения фотоснимка. Т.е. когда вы нажали кнопку спуска затвора, последний открылся и свет стал попадать на матрицу, говорят, что идет ее экспонирование. Идет до тех пор, пока затвор не закроется.

Вы можете услышать словосочетания «во время экспонирования…», «процесс экспонирования…», «при экспонировании…». Обычно слово «матрица» опускается, и говорят просто – экспонирование.

Характеристики матрицы

Нужно отдавать отчет, что матрицы сильно различаются друг от друга, и в различных ценовых диапазонах им присущи те или иные качества. Этот элемент можно считать «сердцем» камеры, как двигатель в машине или процессор в компьютере. Хотя ни машина, ни компьютер с одним только двигателем или процессором работать не станут, тем не менее эти элементы определяют потенциал системы. Сложно ожидать, что машина с двигателем малого объема сможет демонстрировать чудеса проворности в гонках. Так и с камерой – в бюджетном диапазоне они оборудуются ограниченными по возможностям матрицами, и от них сложно ожидать бесшумной картинки при съемке на длинной выдержке. Понятно, что есть характеристики, которые категоризуют матрицы по возможностям. К их рассмотрению и перейдем.

Для начала перечень основных характеристик:

• физический размер;
• разрешение;
• соотношение сигнал/шум;
• чувствительность ISO;
• динамический диапазон
• тип матрицы (устарело).

Теперь рассмотрим все детально.

Физический размер матрицы фотоаппарата

Матрица представляет собой прямоугольную пластину, которая собирает свет, и естественным образом имеет размеры. Выше мы рассматривали дискретную структуру матрицы, где уяснили, что она состоит из пикселей, которые в физическом смысле представляют собой фотоэлементы, превращающие попадающий свет в электрические заряды.

Соответственно, физический размер матрицы определяется величиной пикселей и расстоянием между ними. Чем больше будет расстояние между пикселями, представляющее собой изоляционный слой, тем меньше будет нагрев матрицы, тем выше будет соотношение сигнал/шум и чище выходная картинка.

Идем далее. Размер матрицы – это один из важнейших параметров, на который обязательно стоит обращать внимание. Для начинающих фотографов упрощенно отмечу, что размер матрицы – самая важная ее характеристика .

На практике отмечается в миллиметрах, либо обозначением формата, либо в дюймах диагонали сенсора. Формат – это просто наименование матрицы с определенными размерами. Называют так для упрощения. Что касается дюймов, то тут история тянется с измерения площади изображения на трубчатых телевизорах. Записывается, например, так: 1/1,8″. Не стоит производить математические вычисления, задаваясь целью определить физический размер диагонали и посчитать размеры сторон. Это просто обозначение, не имеющее математической силы. Важно лишь понимать, что матрица с диагональю 1/2,7″ заметно меньше, чем с 1/1,8″. Приведу популярные размеры:

На что влияет размер матрицы?

Чем больше размер матрицы, тем лучше

Это не всегда так, и с утверждением можно поспорить, но в общем случае это соответствует действительности. Более опытные читатели предвкушают переход темы в холиварное русло «Кроп vs полный кадр»:) Не стану сейчас потакать их желаниям, ведь мы говорим о фундаментальных вещах! Вернемся к теме.

От размера матрицы зависит:

1. шумность изображения;
2. динамический диапазон;
3. глубина цвета;
4. габариты камеры.

Опосредованно с изменением размера матрицы изменяется ГРИП и угол обзора, т.к. для получения снимка в том же масштабе приходится менять другие параметры (фокусное расстояние, расстояние до объекта съемки).

Чем больше матрица, тем:

• Менее шумное изображение. Физики скажут, что чем больше света попадает на фиксирующую его поверхность, тем меньше нагрев, меньше погрешность при квантовании и, следовательно, меньше влияние постороннего шума. Изображение при одних и тех же условиях получается более «чистым» и детализированным. Конечное изображение будет содержать меньше лишней информации, вызванной «помехами». Теперь более практичное определение. При равном количестве пикселей и одинаковой технологии чем больше матрица, тем меньше шума будет на снимке при съемке с недостаточным освещением. Попросту говоря, на фотографии будет меньше посторонних точек, мешающих просмотру. Например, намереваясь снимать с рук сумеречные портреты, предпочтительно обладать камерой с матрицей большого размера.Чем меньше матрица, тем меньше изолирующие элементы между пикселями. По этой причине возникает повышенный нагрев, что в электронике всегда плохо, ухудшается соотношение сигнал/шум и количество шума на получаемом изображении растет в сравнении с моделями, обладающими большими матрицами. Давайте посмотрим на пример:
  Слева условно изображение, получаемое с камеры с большей матрицей, справа – с меньшей. Условия съемки одни и те же. Увеличьте изображение. Достаточно посмотреть на небо. Разница может варьироваться, но тенденция сохранится (при условии, что матрицы схожи по технологиям и поколениям). На практике шум отлично просматривается в светах, и, вытягивая тени на одну и ту же величину, на камере с большей матрицей вы сможете получить более чистую картинку. Под вытягиванием понимается увеличение экспозиции в редакторе, в данном случае в тенях – в них начинают проявляться детали. Если вы предпочитаете следующие жанры: вечерние/ночные пейзажи, портреты в режимное время, когда света не очень много, динамичную репортажную съемку, обратите внимание на уровень шума матрицы выбранной камеры. По размеру желательно выбирать камеры с матрицами, начиная от APS-C формата.
• Шире динамический диапазон (об этом далее в статье).
• Больше глубина цвета . Глубина цвета — показатель, определяющий, насколько мелкие цветовые изменения может различить камера. Т.е. при большей глубине цвета незначительные переходы в полутонах будут смотреться более естественно и близко к видимому глазом. Будет записано больше информации о полутонах. Это проявляется, например, на почти однотонных пейзажах.
• Больше камера. Непреложный факт – если вы хотите снимать на камеру с большей матрицей, придется мириться с ее увеличенными размерами. Взглянув на рынок фотоаппаратов, становится понятно, что не существует, например, небольших полнокадровых камер, хоть и пытаются такие сделать. А мобильная фотография ограничена размером сенсора.
• Больше угол обзора можем получить при прочих равных условиях .
  Размер матрицы не влияет на угол обзора!!! Перспектива, получаемая на одном и том же объективе, установленном на разных камерах будет отличаться. Но при одинаковом ЭФР (эквивалентном фокусном расстоянии) изображение будет примерно одинаковым. Если вам понятия перспективы и ЭФР мало о чем говорят, ничего страшного, просто читайте дальше, рассказываю важную суть «на пальцах». Если взять один и тот же объектив, то, снимая на фотоаппарат с матрицей большего размера, вы получите более широкий обзор. Примем приближение объектов при съемке на фотоаппарат с большей матрицей за 100%. Тогда этот же объектив на меньшей матрице обеспечит приближение >100% (приближение будет кратно уменьшению размера матрицы). Такой же эффект можно смоделировать, вырезав из фотографии (снятой на большую матрицу) часть кадра и растянув его до исходного размера. Иными словами, мальчик, которого сфотографировали на 35 мм объектив на камеру с APS-C матрицей (посмотрите таблицу размеров матриц), будет ближе, чем этот же мальчик, сфотографированный на такой же объектив, но на полнокадровую матрицу (FF). Солнце на горизонте, снятое на матрицу меньшего размера, будет «расположено ближе» к нам:
  
• Меньше ГРИП можно получить при прочих равных условиях . Это еще один интересный аспект, который вводит фотографов в заблуждение и требует рассмотрения. Забегая наперед, ГРИП (глубина резко изображаемого пространства) определяет, на каком расстоянии от точки фокусировки объекты будут находиться в зоне резкости. Размер матрицы не влияет на ГРИП!!! Но, чтобы на разных камерах при одинаковых фокусных расстояниях масштаб изображения был одинаковым, на камерах с меньшими матрицами придется отойти подальше либо изменить фокусное расстояние, что в свою очередь уже как раз влияет на ГРИП, увеличивая его. Поэтому на камерах с большими матрицами проще получать «размытые» фотографии.

Это не все, но основные моменты, критичные для фотографа, на которые прямо или косвенно влияет размер матрицы фотоаппарата и которые для себя нужно четко уяснить.

Тип матрицы

Определяет принцип, по которому работает матрица. Существовало две основных технологии:

• CMOS (КМОП – комплементарная логика на транзисторах);
• CCD (ПЗС – прибор с зарядовой связью).

Матрицы, основанные на обеих технологиях, накапливают свет. Только в первой мельчайшим структурным элементом является диод, во второй – транзистор.

Что касается качества изображения, то во времена широкого распространения обеих технологий считалось, что CCD матрицы обладали более приятным, «ламповым» цветом, в то же время CMOS меньше шумели, но структура шума отличалась.

На сегодняшний день абсолютное большинство камер комплектуется матрицами CMOS типа, как менее шумными и более энергосберегающими. Поэтому вопрос выбора по этому параметру не стоит. Это лишь памятка при использовании устаревших камер.

Чувствительность матрицы. ISO

От чувствительности матрицы зависит соотношение выбранной экспозиции и параметров изображения на выходе. Попросту говоря, чем больше вы устанавливаете чувствительность (меняется в настройках камеры), тем менее освещенные элементы вы сможете зарегистрировать. Но при этом будут расти шумы. За эквивалентный параметр чувствительности принят параметр ISO. Начинается от 50 – это минимальная чувствительность, на которой изображение, насколько возможно, чистое и неподверженное шумовому разрушению. Шаг изменения формируется умножением на 2. Т.е. следующая чувствительность ISO – 100, далее 200, 400, 800, 1600, 3200, 6400… Конечно же, камеры снимают и на промежуточных значениях, например, 546. Но для удобства шагов в стопах принято считать, как описал выше. Про ISO, стопы и прочее сейчас особо не беспокойтесь.

Важно понять, что, снимая один и тот же сюжет (например, дерево в сумерках), при повышении ISO его яркость увеличится. Картинка будет казаться светлее. Также важно понять, что на камере с большей матрицей при одинаковом ISO шумов будет меньше.

Далее для тех, кто хочет знать больше. Есть такое понятие – EI (exposure index). Он определяет соотношение между сигналом, передаваемым с матрицы и параметрами его преобразования в цветовое пространство. Что он позволяет? При одних и тех же настройках экспозиции мы имеем возможность получить изображение различной яркости.

Поступая на матрицу, свет формирует сигнал (выходное напряжение), который в АЦП конвертируется в цветовое пространство. Наиболее распространенное – sRGB. При этом происходит его усиление. Если сигнал слабый, нужно его усилить больше. EI становится другим. Камеры предустанавливают заданный диапазон значений EI, который для упрощения называется ISO. Пошло с пленочного мира и сейчас используется для удобства. Диапазон зависит от возможностей матрицы. Например, на старых зеркалках не было возможности установить ISO 6400 просто из тех соображений, что при такой чувствительности качество изображения из-за шумов станет неприемлемым. Далее про усиление слабого сигнала.

Соотношение сигнал/шум

Следующая характеристика матрицы, неразрывно связанная с чувствительностью – соотношение сигнал/шум. Думаю, суть вам уже ясна. Выражаясь простым языком, это соотношение определяет, сколько полезного сигнала (света от снимаемого вами объекта) и шума будет содержаться в конечном изображении.

Выше мы говорили о том, что при попадании света на матрицу ее фотоэлементы генерируют сигналы в виде выходящего напряжения. Допустим, получается напряжение 0,2 В. Пусть это, к примеру, соответствует чистому зеленому цвету согласно sRGB пространству при ISO 200. Прикрывая диафрагму или делая короче выдержку, мы уменьшаем попадаемый на матрицу световой поток. Напряжение на матрице станет не 0,2, а 0,1 В (для примера, конечно). Что при заданном ISO 200 будет соответствовать не чистому зеленому цвету, а более темному зеленому с грязноватыми примесями. Если мы выставим на камере ISO 400, то напряжение автоматически поднимется до 0,2 В, и мы получим изначальный чистый зеленый цвет.

НО! При этом на матрице формируется плохая составляющая в виде шума, который при базовом ISO не заметен. Но, усиливая сигнал, мы также усиливаем и шум. В разумных пределах это допустимо и не критично. Важно понимать ту грань, когда последующее увеличение чувствительности и, соответственно, соотношения сигнал/шум ведет к неприемлемым результатам.

Допустим, вы снимаете друзей для публикации личных фотографий в социальные сети. Они не слишком заморачиваются безукоризненным качеством фотографий и хотят получить классные эмоции, яркие и приятные снимки. В таком случае небольшой или даже значительный шум, корректируемый в редакторе, не станет проблемой. Но, если вы фотографируете пейзаж и желаете его потом распечатать размером 30×40 см или больше, то лучше изначально выставлять минимально возможное ISO. В принципе, при съемке пейзажей придерживайтесь правила изначальной установки минимального ISO. Просто поставили его и забыли, дальше работайте с остальными параметрами.

Сигнал/шум также зависит от размера пикселя. Поэтому переходим к следующему параметру.

Разрешение матрицы

Популярный параметр, который до сих пор в некоторых магазинах применяется в качестве основного.

В технической документации можно увидеть, например, 6000 x 4000. Это значит, что по ширине расположено 6000 фотоэлементов, фиксирующих свет, а по высоте – 4000. Перемножив, получим общее количество фотоэлементов (пикселей) на матрице – 24000000. Для читабельности пишут 24 МП. Размерность – мегапиксели. Приставка «мега» соответствует степени 10 в 6й степени.

Больше мегапикселей не равно лучше

Современные камеры обычно комплектуются матрицами от 16 МП и выше. Но сейчас не редкость и 36 МП, и 42 МП. Встречаются модели и с большим разрешением. В этом и заключается традиционная маркетинговая уловка, на которую раньше, да и сейчас тоже, «ловят» покупателей, предлагая приобрести камеры с высоким разрешением, «забывая» о сопутствующих подвохах и вообще не интересуясь целями покупателя. А мы копнем чуть глубже и поинтересуемся размером пикселя.

Физический размер пикселя – очень важная характеристика, измеряется в мм или мкм. Если пиксель больше, то он сможет собрать больше света, и соотношение сигнал/шум будет выше со всеми вытекающими последствиями. Т.е. такая матрица при прочих равных будет шуметь меньше.

Определить очень просто. Возьмем матрицу популярного APS-C формата с разрешением 24 МП, что соответствует физическому размеру примерно 23.6 x 15.8 мм. Разрешение в пикселях ­– 6000 x 4000. Значит, по длинной стороне 6000 точек нашего выходного изображения формируется на 23.6 мм. Делим физическое расстояние на количество точек и получаем размер пикселя, составляющий примерно 0.004 мм. Если матрица такого же поколения, аналогичной структуры и физического размера обладает большим разрешением, то размер пикселя будет меньше, что увеличит нагрев и шумы. Говорят, нагрев примерно на 8 градусов ведет к двукратному росту шумов.

Практические особенности размера пикселя:

1. Шумы. Как неоднократно рассматривали, при прочих равных меньше пиксель = больше шумы.
2. Увеличенная шевеленка. Меньший пиксель более чувствителен к дрожанию рук и смещению камеры по отношению к снимаемому объекту. Представьте, будто пиксель по размеру соответствует теннисному мячу, а вы снимаете кота. Пиксель в виде теннисного мяча фиксирует свет, соответствующий темному пятну на шерсти кота. Если вы немного пошевелите матрицу с такими пикселями, то на этот пиксель вероятнее всего будет попадать свет от этого же темного пятна. Смещение не вызовет глобальных проблем в изображении. Предположим, что снимаем этого же кота на камеру с матрицей, обладающей маленькими пикселями, и на определенный пиксель попадает ворсинка пятна кота. Немного сместив камеру, получится, что пиксель будет фиксировать другую ворсинку.Таким образом, детализация растет, но изображение становится смазанным. Для определенных целей это подходит лучше, но требует больших навыков от фотографа и имеет свои особенности при съемке отдельных жанров.
3. Повышенные требования к объективу. Меньший физический размер пикселя говорит о том, что для получения детализированной фотографии разрешающая способность объектива должна быть выше. Объектив тоже имеет разрешающую способность, и на каждый миллиметр матрицы он может спроецировать ограниченное количество точек. Большей разрешающей способностью обладают более дорогие объективы. При этом, если разрешающая способность объектива ниже таковой у матрицы, то изображение будет недостаточно детализированным. Говорят, что «матрица не раскроется». По факту система не сбалансирована и результат будет, как на более дешевой, но сбалансированной технике.Разрешающая способность фотоаппарата, как целостной системы, не превышает разрешающей способности каждого из компонентов (матрицы или объектива). В идеале, их разрешающая способность должна быть примерно равна. Но практика, как обычно, вносит массу корректив.
4. Больше разрешение – мощнее компьютерное железо. Чем больше разрешение, тем большие требования предъявляются к компьютеру при обработке. Если вы желаете получить хорошие результаты и даже не снимаете в RAW (советую все-таки перейти к RAW’у), то вам все равно придется «вертеть» изображение в Photoshop’е или другом редакторе. А при разрешении 24 МП, 36 МП или выше это может быть проблемой. Даже если небольшие правки вносятся достаточно шустро, то небольшие задержки на большом фотосете будут раздражать и сильно красть время.

Динамический диапазон матрицы

Динамический диапазон (сокращенно ДД) определяет максимальный яркостной диапазон снимка.

Каждый пиксель обладает своей яркостью. Для упрощения будем рассматривать яркость отдельных участков кадра, например, неба. Допустим, вы снимаете городской пейзаж в яркий солнечный день, и в кадр попадает яркое небо и очень темные здания. Если вы экспонируете кадр (определяете экспозицию) по небу, то на выходе получается хорошо проработанное небо и темные или почти черные здания. Наоборот, экспонируя по зданиям, получаем их нормальную яркость, но при этом неба совершенно нет, вместо него белое пятно. Сталкивались с такой ситуацией? Думаю, наверняка.

Так вот динамический диапазон как раз определяет то, насколько широкий яркостной участок сможет охватить камера без потерь информации в самых светлых и самых темных частях кадра.

Динамический диапазон – это неизменная характеристика матрицы, зависящая от технологии производства. Мы можем лишь сузить его, установив большое значение чувствительности ISO, что, как вы понимаете, нежелательно.

На этой фотографии внизу достаточно темные участки, а вверху – яркие солнечные лучи, и съемка ведется в контровом свете, против солнца. Это заведомо тяжелые для камеры условия, создается слишком высокий контраст.

А вот еще более яркий пример с выбитым небом. Фактически классика, такого в папках многих людей предостаточно, и с этим нужно что-то делать.

Недостаточный динамический диапазон матрицы

В таком случае говорят, что снимаемая сцена не укладывается в динамический диапазон камеры. И нужно прибегать либо к перекомпоновке кадра, чтобы снизить контраст сцены, либо к использованию художественных приемов, обыгрывая недостатки техники, либо использовать технику его расширения (HDR). Вы резонно спросите: «Но ведь мы же видим одновременно и голубое небо, и темные детали. Как же так?». Сей факт можно отнести к несовершенству техники. Динамический диапазон глаза превышает диапазон камеры где-то в 2 раза.

Резюмируем

Сразу хочу развеять ваши сомнения. Цель этой статьи — заложить у вас понимание, что и как работает. Не расстраивайтесь, если многое непонятно — главное, создать «полочки» в вашей голове, структуру, а потом по мере надобности заполнять их информацией. Но материал, безусловно, важен и является костяком для понимания фотографии. Поэтому, если совсем ничего непонятно, перечитайте еще раз либо вернитесь к нему позднее. И специально для вас сделаю краткую выдержку из того, что желательно отложить у себя в голове:

1. Матрица – это один из важнейших элементов в камере, который фиксирует свет, превращая его в электрические сигналы. Не может быть заменена в камере. Является аналогом пленки в пленочных фотоаппаратах.
2. Процесс получения снимка, когда открыт затвор, называется экспонированием.
3. Матрица имеет множество характеристик. Размер – одна из важнейших, по нему косвенно можно предполагать остальные параметры. Как класс автомобиля – от седана B-класса не ждешь огромного пространства, как в седане E-класса, каким бы продвинутым и дорогим он ни был.
4. Выбирая камеру с тем или иным размером матрицы, стоит понимать ее достоинства и недостатки и быть готовым ими пользоваться. Маленькая матрица больше всего страдает в условиях, когда света недостаточно. Если планируете развиваться в сфере фотографии и вам это действительно нравится, советую обратить внимание на формат Micro 4/3 или остановиться на APS-C варианте.
5. Качественная матрица — залог хорошего изображения. При выборе камеры нужно начинать с нее. С другой стороны, в крайности бросаться тоже не нужно – дорогая полнокадровая камера с дешевым объективом вряд ли принесет хороший результат. Точнее, он будет хуже, чем мог бы быть. Но сегодня камеру с откровенно плохой матрицей нужно поискать.
6. Не гонитесь за высоким разрешением. Даже минимального в современных камерах будет за глаза.
7. Вообще по приоритету, что важно для получения качественного изображения, . Рекомендую прочесть, если еще не читали. Если у вас сложилось впечатление превосходства технических параметров над творчеством, эта статья покажет вам обратное, подводя к мысли, что важен баланс. Возможно смещение в творческую сторону. Но смещение в сторону технофильства ни к чему хорошему в плане результатов не приводит.

И конечно же, я к вашим услугам! На все возможные вопросы в рамках моей компетенции всегда готов ответить в комментариях.