Динамический диапазон – это термин, который часто используют производители цифровых камер и фотопленки. Часто можно услышать заявления о существенном преимуществе по динамическому диапазону сенсора одной камеры по сравнению с другой. Но что это дает конечному пользователю? Что такое динамический диапазон и почему он важен для фотографов?
Динамический диапазон – это диапазон значений интенсивности света от самого яркого до самого темного, в котором регистратор изображения (пленка или сенсор цифровой камеры) способен зафиксировать детали. Динамический диапазон цифровой камеры можно описать как соотношение между максимальной и минимальной измеримой интенсивностью света (Imax:Imin) и выразить в стопах. Каждый стоп описывает разницу в освещенности в степенях числа 2 - с увеличением освещенности на 1 стоп объем света удваивается (и наоборот).
Возможности регистраторов изображения ограничены - у них возникают проблемы с регистрацией деталей высококонтрастных сцен. В то же время, например, человеческий глаз имеет существенно бОльший динамический диапазон, чем пленка или сенсор цифровой камеры, а, кроме того, умеет приспосабливаться к условиям освещения, благодаря чему мы имеем возможность разглядеть детали как при ярком солнечном свете, так и темной ночью. В результате этого фотографам приходится подстраиваться под камеру и учиться видеть вещи так, как их «видит» камера.
Современные цифровые зеркальные камеры обычно обладают динамическим диапазоном в 8 стопов. Формально это довольно неплохая цифра, но в реальности большая часть деталей в тенях бывает подпорчена цифровым «шумом» даже при низких значениях ISO. Большинство фотографов, однако, заинтересованы в той части диапазона, что отвечает за фиксацию светов, а не теней, и в этом плане современные цифровые камеры, к счастью, демонстрируют хорошие результаты.
Исследователи, занимающиеся обзорами цифровых камер, публикуют результаты измерений динамического диапазона различных моделей камер на своих сайтах, и эти результаты могут быть полезны при сравнении одной модели камеры с другой в целях приобретения.
Фактором, определяющим динамический диапазон сенсора, является емкость его пикселов. Фотоны света падают на сенсор, при помощи микролинз фокусируются, проходят через цветной фильтр и попадают на полупроводник, создавая электрический заряд, который аккумулируется и сохраняется. Каждый пиксел сенсора получает свой электрический заряд.
Проблема, однако, состоит в том, что у пиксела существуют ограничения по аккумуляции фотонов и хранению электрического заряда. Фактически, пиксел можно сравнить с ведром - когда идет дождь, ведро начинает заполняться падающими в него каплями. По степени наполнения ведра можно судить об силе прошедшего дождя - до тех пор, пока ведро не наполнится. Достигнув своей максимальной емкости, переполненное ведро больше не может ловить капли дождя и вы не сможете определить по нему, какой же силы был дождь.
С пикселом сенсора цифровой камеры происходит то же самое. Когда свет поступает в пиксел, аккумулируется электрический заряд, который может быть измерен. Измерив заряд, можно рассчитать объем света, который поступил на сенсор. Это справедливо до тех пор, пока электрический заряд не достиг той максимальной емкости, которая может быть сохранена пикселом. Любые последующие фотоны света будут переполнять пиксел и он не будет способен зафиксировать, как много дополнительного света поступило. Когда это происходит, "обрезаются" света и в них теряются детали. Другими словами, пиксел, который получил 100% максимального объема света, пиксел, который получил 200% максимального объема света, пиксел, который получил еще больше - все они зафиксируют один и тот же заряд.
Если производитель хочет, чтобы сенсор фиксировал бОльшие объемы света, то он разрабатывает сенсор с крупными пикселами. Крупные пикселы способны аккумулировать больше фотонов света и хранить больший электрический заряд. С увеличением размера пиксела увеличивается и верхний предел динамического диапазона. Вот почему одним из главных факторов, определяющих динамический диапазон, является размер пиксела цифрового сенсора. По этой причине полнокадровая камера будет обладать более широким динамическим диапазоном по сравнению с неполнокадровой камерой с тем же разрешением сенсора.
Что же касается теней, то обеспечить там точную детализацию сложно. Отношение сигнал/шум в тенях ухудшается, в результате чего становится сложно различить, что является шумом, а что - полезной детализацией. Как только детали становится невозможно отличить от шума - достигнут нижний предел динамического диапазона.
Еще одним фактором, оказывающим влияние на динамический диапазон, является светочувствительность (ISO). Отношение сигнал/шум ухудшается с увеличением ISO. Вот почему снимки, сделанные на высоких значениях ISO, более шумные по сравнению со снимками, сделанными на низких значениях ISO. Особенно сильно эта проблема проявляется в тенях - с потерей там детализации нижний предел динамического диапазона повышается.
Преобразованием результатов измерений интенсивности света из аналоговых в дискретные цифровые значения и созданием RAW-файлов занимается аналогово-цифровой преобразователь камеры (АЦП). Какой-либо взаимосвязи между разрядностью RAW-данных и динамическим диапазоном нет. Часто можно услышать, что у JPEG-снимков более узкий динамический диапазон, чем у RAW-снимков, поскольку JPEG-файлы 8-ми битные, а RAW-файлы - 12-ти или 14-ти битные. Это утверждение не соответствует действительности.
Число бит определяет диапазон оттенков (число тонов от самого темного до самого светлого), который может зафиксировать каждый пиксел. У 8-ми битного файла диапазон оттенков равен 256 (2^8), у 12-битного - 4096 (2^12), а у 14-битного - 16384 (2^14). Чем больше разрядность, тем больше близко расположенных тонов фиксируется.
Чем шире динамический диапазон, тем дальше друг от друга расположены оттенки. При редактировании изображения они, скорее всего, будут еще больше распределены по отношению друг к другу. Если оттенки распределены слишком далеко, возникает постеризация - цветовые переходы перестают быть плавными. Для устранения постеризации камеры с широким динамическим диапазоном оснащаются АЦП с большей разрядностью, чтобы обеспечить плотное расположение оттенков по отношению друг к другу.
Максимальный динамический диапазон с цифровыми камерами можно получить, если снимать в RAW. При съемке сразу в JPEG часть полезной информации о цвете пропадает (в том числе, в результате работы алгоритмов сжатия исходного изображения), в то время, как RAW сохраняет всю информацию, зафиксированную сенсором, что дает возможность в некоторых случаях в результате постобработки «вытащить наружу» ранее остававшиеся скрытыми детали.
Важный аспект цифровой фотографии – детали в тенях обычно можно восстановить (при этом там может появиться заметный цифровой шум), однако "обрезанные" света потеряны навсегда!
Значит ли это, что необходимо всегда немного недоэкспонировать свои снимки? Нет. Это значит, что при экспонировании и/или экспокоррекции лучше всего ориентироваться на света и полутона.
Евгений АРТЕМОВ, https://lens-db.ru